電子散熱設計的原理解析
傳熱現象在自然界普遍存在，有溫差的地方就會有熱量傳遞發生。具體到在工程技術領域中，掌握傳熱體系內的傳熱量和溫度分布最具有實際意義。一般來說，對于無內熱源的穩定傳熱過程，傳熱量(Q或q)和傳熱溫差⊿t的關系可表示為下列一般形式：
Q=qF=⊿t/ R W
或 q=Q/F=⊿t/r W/m2
式中Q亦稱熱流量。q亦稱熱流率或熱流密度，⊿t[℃]亦稱傳熱推動力，F[m2]為傳熱面積，R[℃/W]為熱阻，r =RF[m2. ℃/W]稱單位面積熱阻.
傳熱的基本方式有傳導、輻射和對流三種，但實際換熱過程往往是以一種形式為主的復合換熱方式。
熱 傳 導
同一物體內部或互相接觸的物體之間，當溫度 不同但沒有相對的宏觀位移時的傳熱方式叫熱傳導 或導熱。微觀來看，氣體導熱基于分子或原子的彼 此碰撞;液體和非導電固體導熱的機理是分子或原 子振動產生的彈性波作用;而金屬導熱則主要靠自 由電子的擴散傳播能量。
熱 輻 射
物體通過電磁波傳播能量的過程叫輻射，熱輻射則專指波長為0.1~100μm的熱射線在空間傳播能量的現象。任何物體均能不斷地向外界發射輻射能同時也接受來自周圍物體的輻射能。物體把熱能以電磁波形式發射出去,接受這種電磁波的物體又將其轉變為熱能，兩物體間的輻射換熱為相互輻射熱量的差額。熱輻射不需要媒介質并伴隨著能量形式的轉化是輻射換熱的特點。輻射能可以在真空中、少數透明固體和氣體中傳播，在大多數固、液體中無法傳播，而在其表面被吸收或反射;熱射線通過含有多原子 氣體的氣層時，可在透過氣層厚 度時被逐步吸收。
利用熱輻射最典型的例子莫過于微波爐的發熱原理。我們現在的散熱器，其實都有熱輻射發生。散熱器在吸收了熱量后，都會自動的往周圍空氣中輻射熱，如果沒有對流空氣的熱交換，這種輻射現象比較緩慢。
熱 對 流
由于流體各部分宏觀位移引起的熱量轉移現象稱為熱對流。 流體內部存在溫度差從而存在密度差，在體積力(浮升力等)作用下所產生的熱對流稱自然對流，而借助于機械外力(泵或風機等)推動的熱對流稱強制對流，當流體內部溫度分布不均勻時必然要發生導熱，因此，熱對流總是伴隨著流 體的導熱。
流體流過溫度不同的固體壁面時的傳熱過程稱對流換熱，對流換熱在工程上(如換熱器中)最具實際意義。邊界層理論和實踐證明，由于流體的粘性作用，在壁面處存在一個具有速度梯度的速度邊界層(圖4-4)，同時存在一個具有溫度梯度的熱邊界層，即使是湍流，總還是存在一個緊貼壁面的層流底層。層流底層內垂直于壁面方向的傳熱只能靠導熱，而層流底層以外則主要靠熱對流，因此，對流換熱是集導熱和熱對流于一體的綜合現象。對于流速不高的高溫多原子氣體，輻射換熱占相當比重，不能隨便忽略。
影響熱對流的因素
一般地，工程上廣為應用的換熱和散熱設備，其器壁一側或兩側與不同溫度的流體相接觸，傳熱過程主要依靠對流換熱，因此掌握對流換熱的機理和影響因素，對于換熱設備的設計、計算、強化和改進是十分重要的。對流換熱受流體導熱和熱對流的綜合作用，同時受到流體導熱和對流規律的支配。由于流體的粘性作用，貼壁流體流速為零，壁面和流體間的傳熱只能靠導熱。
流體運動產生的原因
自然對流和強制對流由于起因不同因而具有不同的流動和換熱規律。 強制對流速度決定于外力所產生的壓差、流道阻力和流體性質等，因而換熱強度與決定流動狀態的雷諾(O.Reynolds)數Re和無因次物性準數普朗特(L.Prandtl)數Pr密切相關，如CPU Cooler、VGA Cooler等散熱產品，都是利用風機的動力來加強產品與周圍空氣的換熱效率的，參看產品圖片(圖5-1);自然對流速度除與物性有關外，與溫差、空間大小、熱面方位以及產生體積力的外力場有極大關系，因而換熱強度與Pr及代表浮升力的葛拉曉夫(F.Grashof)數Gr有關，如Heatsink、Thermal Module等散熱產品，都是利用產品自身與周圍空氣的自然對流來達到散熱效果的。
2021-01-22
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