在設計肋片時根據肋片形式的不同,肋片高度是有一定限度的,隨著肋高的增加,其表面區域性散熱量不斷減少。對於高而薄的肋片,其肋端處的散熱能力很小。
進一步分析達到最佳條件時所需的斷面(縱剖面)面積公式,可以得出三條重要結論:
1)當材料、環境條件(α)和肋基過餘溫度之比相同時,三角形斷面所用材料質量只是矩形斷面的69%。因此,只要工藝條件許可,應盡量採用三角形斷面肋。
2)斷面面積和肋的面積,隨熱流量的三次方增加。因此,如果希望散熱量加倍的話,可選用兩個與原肋片相同的肋片或採用乙個斷面面積為原肋片8倍的新肋片。顯而易見,設計者應採用多個小肋片方案,而不應採用少數大的肋片。當然,肋片數目也不能無限增多,其極限數目受邊界層厚度及允許流動阻力的限制。
3)斷面面積與肋材料的導熱係數λ成反比,肋的總質量與斷面面積及所用材料的密度ρ成正比。因此,肋的質量與密度ρ成正比,與導熱係數λ成反比。
三種形狀直肋的最佳引數值
在設計航空太空飛行器上電子裝置的散熱器時,在考慮散熱效率的同時還應兼顧減輕肋片質量的要求。這樣ρ/λ比較小的材料優先使用。銅材的ρ/λ值約為鋁材的1.95倍。
rca——外熱阻,元件殼體直接向周圍環境排散熱量的熱阻,由於這個熱阻通常很大,電晶體的外殼很小,所以忽略這條散熱路徑對結果影響不大。
rjc——內熱組
rcs——安裝熱阻,元件殼體至散熱器的熱阻,通常包括墊片熱阻rw和接觸熱阻rco
rsa——散熱器熱阻
所以總熱阻可改寫為rt=rjc+rcs+rsa
rjc是結點至元件殼體的熱阻,該熱阻由元件製造商採用的內部結構設計(如晶元、封裝和管座的組成材料、結構尺寸)和製造工藝來確定。由於這個熱阻發生在元件內部,肋片散熱器或者其他外部散熱結構對其沒有影響,故亦稱其為內熱組。半導體製造商通過計算最大允許結溫、元件成本和元件功耗來確定該熱阻。特殊用途的晶元採用昂貴的引腳形式以及採用導熱性能好的陶瓷和金剛石平板散熱器可以進一步降低rjc。
rcs是元件殼體至散熱器安裝面之間的安裝熱阻。在任何情況下,rcs可以通過使用導熱脂、導熱墊片、環氧樹脂和增大接觸壓力來減小。
電子元器件是否能夠正常工作,除元器件本身質量的好壞外,在很大程度上還取決於元器件與散熱器的合理匹配和安裝接觸面的導熱條件。所以,散熱器的選配方法與安裝工藝是電子元器件可靠應用的重要環節。
1.合理選擇散熱器的形式
從外形上看,電子元器件常用的散熱器可分為兩類,一類是平板型散熱器(散熱板),其結構簡單,容易自製,但散熱效果較差,且所佔面積較大。另一類是經過加工成型、構成系列化產品的散熱器,如型材散熱器(中功率)、叉指型散熱器(中小功率)、扇頂型散熱器(毫瓦級電晶體)和塑封器件專用散熱器等,這類散熱器的散熱效果好,易於安裝,適合進行大批量生產,但成本較高。
2.降低安裝熱阻rcs
安裝熱阻rcs由墊片熱阻和接觸熱阻兩部分構成。為了實現散熱器與元器件殼體之間的電隔離或良好的電接觸,常在散熱器與殼體之間夾入絕緣墊片或導電墊片。絕緣墊片一般採用雲母、聚酯薄膜、氧化鈹或氧化鋁瓷片等材料,最常見的絕緣墊片是選用0.05m厚的雲母或聚酯片,其熱阻分別為1.10k/w和0.59k/w。導電墊片通常採用鋁箔或銅箔等
接觸熱阻與接觸表面的不平度、粗糙度和散熱器的安裝方式有關。散熱器與元器件接觸面的不平度應不超過0.001mm/mm,表面粗糙度不低於ra=0.8μm。為了改善接觸熱阻,安裝散熱器前塗抹一層矽脂。
3.降低散熱器熱阻rsa
散熱器一般應採用導熱係數高的材料製成,一般可用鋁板或銅板。在截面積和厚度相同的條件下,以銅板的散熱效果最好。但一般多採用鋁板,因為鋁板的散熱效能僅低於銅板,而質量比銅板輕很多,而且成本也遠低於銅板。
在自然冷卻條件下,對於散熱器除了考慮導熱和對流散熱以外,還要考慮輻射散熱,可通過對散熱器表面進行處理來增加輻射散熱能力。例如可在外表面塗上高發射率的塗料,或採用化學發黑的方法來增加輻射散熱能力。對於鋁或鋁合金,常採用化學方法包括黑色樣機氧化和鍍鉻酸鹽等。
from《電子裝置熱設計及分析技術》_余建祖
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