《電子裝備設計技術》課件第6章

第6章電子設備散熱設計技術6.1散熱原理6.2電子元器件的散熱6.3電子設備機內散熱6.4箱體的通風散熱 6.1散熱原理

熱是一種能量，熱能總是自然地從高溫向低溫方向傳遞。熱能傳遞的基本方式包括熱傳導、熱對流和熱輻射三種形式。

無論是固體還是停滯的流體，當它與介質相互接觸并與介質存在溫差時，兩者之間都會進行熱交換，這種換熱稱為傳導換熱；當運動著的流體與介質表面存在溫差時，它們之間也會產生熱交換，這種換熱稱為對流換熱；具有一定溫度的表面，不管是否存在中間介質，只要是依靠電磁波傳播方式進行的熱量交換，都稱為輻射換熱。這三種換熱形式下的熱量交換過程對應的即為熱傳導、熱對流和熱輻射方式。6.1.1傳導換熱

1.溫度梯度

在熱量傳遞過程中，通常用等溫面或等溫線來表示物體的溫度變化。某一瞬間物體內部相同溫度點構成了一個等溫面，通常是不規(guī)則的曲面，如與平面相交，其交線就是等溫線，為了說明溫度的變化率，通常將等溫面或等溫線法線方向的溫度變化增量與法線方向的距離之比取極限，稱為溫度梯度。圖6.1平板溫度梯級為便于說明，取一單層平板，厚度為δ，其高度與寬度很大，兩側表面分別維持均勻而恒定的溫度t1和t2，這時它的等溫面成為相互平行的平面，等溫線為相互平行的直線，如圖6.1所示。

此時的溫度梯度t′可用下式表示：（6.1）溫度梯度是一個矢量，其方向沿等溫面法線方向，并規(guī)定溫度增加的方向為正向。由于溫度總是從高溫向低溫方向傳遞，因此熱傳遞的方向與溫度梯度方向相反。

2.導熱的基本定律

1）傅里葉定律

在純導熱的條件下，單位時間內通過給定面積的熱量與該處的溫度梯度及垂直于導熱方向的截面積成正比，這就是導熱的基本定律，又稱傅里葉（Fourier）定律。對于大塊平板，傅里葉定律可用公式表示為（6.2）式中：Q為單位時間內通過面積S的熱量，單位為W；S為垂直于導熱方向的橫截面面積，單位為m2；λ為導熱系數(shù)，單位為W/（m·℃）；dt/dx為溫度梯度，單位為℃/m。負號表示熱傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

由式（6.2）可得，在單位時間內，單位面積所通過的熱量即熱流密度q為（6.3）對于大塊平板，上式可變換為（6.4）對上式積分，并代入相應的條件（x=0時t=t1；x=δ時t=t2），并設（6.5）則經整理可得：

（6.6）式中：Δt=t1-t2。

2）熱阻Rt

各類電子組裝設備溫升的控制，均可用其熱阻值來表征，由電子器件的結片至熱沉之間的總熱阻，可劃分為器件級、組裝級和系統(tǒng)級熱阻。

器件級熱阻又稱為內熱阻，表示從發(fā)熱芯片或其他電路元器件的結片至元器件外殼之間的熱阻；組裝級熱阻又稱為外熱阻，表示熱流從元器件外殼流向某個參考點的熱阻，參考點的選擇可以是耗熱元件周圍的環(huán)境溫度、印制電路板的端部溫度，也可以是冷板某一點的溫度；系統(tǒng)級熱阻又稱為最終的熱阻，表示冷卻劑（空氣或液體）至終端熱沉的熱阻。

當物體相互接觸時，兩接觸面不可能絕對平整、光滑，其間有一薄層空氣或其他介質，在接觸面處將產生溫度降，由此引起的附加熱阻稱為接觸熱阻。影響接觸熱阻的因素包括接觸表面的平面度、粗糙度、硬度、清潔度、氧化程度以及壓力等。

3）導熱系數(shù)λ

導熱系數(shù)λ是一個表示物體導熱能力的物理量，是單位時間內通過單位長度溫度每下降1℃所傳遞的熱量。

不同物質有不同的傳熱系數(shù)，通常金屬的導熱系數(shù)最大，非金屬次之，液體較小，氣體最小，如空氣可作隔熱夾層。結晶體比非結晶體材料有更高的導熱系數(shù)。對于復合材料（例如，電子組裝中大量使用的硅脂或導熱膏），則取決于其組成成分本身的導熱系數(shù)。

對于傳熱系數(shù)很低的材料，可以把它定為隔熱材料。導熱系數(shù)小于0.23W/（m·℃）的材料稱為絕緣材料。

純金屬材料的導熱系數(shù)隨溫度的增加而減?。环墙饘俨牧系膶嵯禂?shù)隨溫度的增加而增加；合金材料的導熱系數(shù)由其合金含量的組成決定。表6.1各種材料的導熱系數(shù)表6.2氣體和液體的導熱系數(shù)

3.加快傳導散熱的措施

（1）選用傳熱系數(shù)大的材料制造導熱零件，可降低熱阻，增大傳導熱量。如可用銅或鋁等材料做散熱器。

（2）盡量降低接觸熱阻。在多個零件接觸導熱時，因為兩接觸面之間不可能絕對平整、光滑，所以實際接觸面很小。由于接觸面間存在空隙，而空氣的傳熱系數(shù)很小，實際上起著隔熱作用，也增加了接觸熱阻。

通常采用增大接觸面間的接觸壓力，降低接觸表面的粗糙度來增大接觸面；有時可在兩接觸面間涂硅油或墊銅箔等軟金屬箔等措施來降低接觸熱阻。

（3）盡量縮短熱傳導路徑。導熱路徑中不應有絕熱或隔熱物體阻隔。

6.1.2對流換熱

1.自然對流與強迫對流

根據流體運動的成因不同，對流換熱可分為自然對流和強迫對流。

自然對流是由于流體冷熱不均、各部分密度不同而引起介質自然運動的對流方式。因為空氣、水等介質受熱后體積膨脹，其密度降低，所以受熱介質上升，較冷的介質就置換它原來的位置，形成了由溫差而引起的自然對流過程。

強迫對流是風扇、水泵等機械力的作用促使流體運動，使流體高速地掠過發(fā)熱物體或高溫物體表面，從而加強對流作用，一般情況下強迫對流也伴隨著自然對流，但當強迫對流足夠強時，自然對流往往可忽略不計。

2.對流換熱公式

固體表面和流體間的換熱量Q與它們的溫差及接觸面積成正比，這就是對流換熱的牛頓定律。Q=αSΔt（6.7）式中：Q為單位時間內對流的換熱量，單位為W；α為對流傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·℃）；Δt為散熱物體表面與冷卻流質的溫差，單位為℃；S為散熱面積，單位為m2。式（6.7）中把影響對流散熱的各種因素歸結為對流傳熱系數(shù)α，α不僅與流體介質的性質有關，而且與對流的類型、流體速度、散熱物體的形狀、位置等因素有關。

3.加快對流換熱的措施

要增加對流換熱量，可以通過提高對流換熱系數(shù)或增大換熱面積和溫差來實現(xiàn)。

（1）加大溫差Δt，即降低散熱物體周圍的對流介質的溫度。

（2）加大換熱面積，如增加散熱器或散熱片，并將散熱器做成肋片，并使肋片縱向與氣流方向一致，或做成直尾形和叉指形，這樣更有利于散熱。

（3）在整機設計中，正確安排進出風口，把發(fā)熱元件安排在有利于對流換熱的位置，并注意元件的大小，使要散熱的元件排在大元件的上游，以免被大元件擋住氣流。

（4）加大流體的流動速度，選擇有利于對流換熱的流體介質，如水比空氣好，以帶走更多的熱量。6.1.3輻射換熱

1.熱輻射過程與計算公式

熱輻射的投射、反射和折射規(guī)律與可見光線（0.35～0.75μm）基本相同，當熱射線照射在物體上時，熱輻射總是一部分被吸收，一部分被反射，一部分穿透物體，從而進行能量交換。被吸收的那部分能量使物體的溫度升高，而被反射及穿透的那部分能量落在其他物體上后也同樣產生反射、吸收、穿透的過程。由此可見，一個物體不僅是在不斷地輻射能量，而且還在不斷地吸收能量，這種能量的傳遞現(xiàn)象就是輻射換熱的過程。圖6.2輻射能量分布圖解如圖6.2所示，若物體上的全部輻射能量為Q0，其中物體的吸收能量為QA，反射能量為QR，穿透能量為QD，則總的輻射能量與吸收能量、反射能量、穿透能量之間的關系式滿足式（6.8）。（6.8）將上式兩邊分別除以Q0可得（6.9）上式可表示為（6.10）

A、R、D的數(shù)值不僅與物體的性質有關，而且與物體的溫度和輻射的波長有關，其值在0～1之間變化。

不同的物體對輻射能量的吸收、反射和穿透各不相同，物體的性質也不同，表6.3說明了幾種典型物體對能量的吸收、反射和穿透的特殊情況。表6.3典型物體的能量輻射一個物體總的輻射能量是放熱還是吸熱，取決于該物體在同一時期內放射和吸收輻射能之差。輻射傳遞的熱量Q可由下式決定。（6.11）式中：Q為單位時間內輻射傳遞的熱量，單位為W；系數(shù)5.67為黑體輻射系數(shù)，單位為W/（m2·K4）；ε為輻射體表面的黑度；S為輻射體表面的面積，單位為m2；T1、T2為輻射表面、被加熱表面的絕對溫度，單位為K。式（6.11）亦可寫成下式

（6.12）表6.4常見物體的黑度值得注意的是，若公式（6.12）中的Q為正值，說明物體放熱，即物體輻射強于吸收；Q為負值時，說明物體處于吸熱狀態(tài)，此時吸收大于輻射。在面積相同時，表面黑度越高，其放熱或吸熱能力越大，即Q的絕對值越大。物體的輻射能力越強時，其吸收能力也越強。如黑色物體，當本身溫度高于外界溫度時，其對外界輻射能力最強；當外界溫度高于本身溫度，其吸收熱能也最多。

物體輻射的能力可以用輻射力E來表示，它表示單位時間內物體單位表面積所放射的輻射能量。

2.熱輻射基本定律

（1）普朗克定律：物體熱輻射的能量不僅和溫度有關，而且隨波長而變化。普朗克定律反映了在不同溫度下輻射能按波長分布的規(guī)律。

（2）四次方定律：黑體的輻射能量與其絕對溫度的四次方成正比，用公式表示為（6.13）式中：σ0為黑體輻射常數(shù)，其值為5.67×10-8W/（m2·K4）。工程中常用下式代替，即（6.14）

式中：C0為黑體輻射系數(shù)，其值為5.67W/（m2·K4）。（3）基爾霍夫定律：任何物體的輻射力和吸收率之比與物體的性質無關，恒等于同溫度下絕對黑體的輻射力。

基爾霍夫定律的表達式為（6.15）式中：E1，E2，E3，…為物體的輻射力；A1，A2，A3，…為物體的吸收率；E0為黑體的輻射力。由于各物體的吸收率總是小于1，所以在任一溫度下，各種物體的輻射力以絕對黑體為最大。根據公式（6.15）可知，物體的輻射力越大，其吸收率越大，即善于反射的物體，輻射也小。

3.加快輻射換熱的措施

（1）粗糙的表面熱輻射能力強。通常將發(fā)熱元件外的屏蔽罩殼涂覆有色漆，散熱片表面涂黑色或粗糙的有色漆。對熱敏感的元件，其表面應做得光亮、平滑，以減少輻射熱的吸收。對玻璃外殼的電子管，由于玻璃的輻射系數(shù)近似于黑漆的輻射系數(shù)，故其殼不用涂黑。

在高溫下，熱輻射的換熱效果往往大于熱對流的換熱效果，所以對高溫元件，常在內、外表面涂以黑色粗糙的漆，以增加熱輻射的作用。（2）加大輻射體周圍環(huán)境的溫差，即輻射體周圍介質溫度越低越好。

（3）加大輻射體的表面積、體積，即從散熱效果的角度出發(fā)，散熱器的面積越大越好。

電子設備實際使用過程中熱量的交換包含了傳導換熱、對流換熱和輻射散熱，幾種換熱過程同時存在，是一種復合換熱的過程。 6.2電子元器件的散熱

6.2.1溫度對元器件的影響

1.晶體管

晶體管的結溫是由晶體管的耗散功率、環(huán)境溫度以及散熱情況決定的，晶體管的結溫對其工作參數(shù)及可靠性有很大影響。溫度升高，將引起晶體管的工作點漂移，增益不穩(wěn)定，可能造成多級放大器自激或振蕩器頻率不穩(wěn)定。溫度過高，將造成晶體管的熱擊穿。

2.阻容器件

溫度升高將導致電阻的使用功率下降，使電阻器的阻值發(fā)生變化，溫度每變化10℃，電阻值約變化1％。如RJ-0.125W金屬膜電阻，當環(huán)境溫度為70℃時，允許使用功率為標稱值的100％；當環(huán)境溫度為125℃時，允許使用功率僅為標稱值的20％。

溫度對電容器的影響主要表現(xiàn)在降低其使用壽命，當電容在超過允許的溫度下工作時，溫度每升高10℃，其使用壽命要下降一半，同時，溫度的變化也將引起電容器的容量、功率因數(shù)等參數(shù)的變化。表6.5常用阻容器件的允許工作溫度

3.集成電路組件

溫度過高將影響集成電路的工作性能，甚至造成集成電路的熱損壞，使用中應控制結溫，不應超過允許工作范圍。

4.變壓器和扼流圈

溫度對變壓器和扼流圈的影響主要表現(xiàn)在降低其使用時間，使得它們的絕緣性能下降。通常變壓器和扼流圈的允許溫度為95℃。

5.微波器件

微波器件包括微波管和微波半導體器件，溫度對微波管的影響主要表現(xiàn)為，溫度將影響微波管的諧振頻率、工作效率、工作穩(wěn)定性及壽命。

6.電真空器件

過高的溫度將對真空器件的玻璃卡和內部結構產生不良影響，使電真空器件內產生氣體，從而使真空器件的真空度下降，影響其工作性能；同時使器件內的氣體電離，離子轟擊陰極，破壞其涂覆層，導致發(fā)射率下降，降低其工作壽命；溫度過高也將導致玻璃產生熱效應而損壞。6.2.2元器件的散熱

1.晶體管的散熱

對于功率在100mW以下的小功率晶體管，主要依靠晶體管表面的對流散熱及引線傳導散熱，不考慮散熱措施；對于功率為100mW至1W的晶體管，主要依靠加簡單的散熱器進行散熱；對于功耗大于1W的大功率晶體管，其散熱主要通過選擇合適的散熱器，并在功率管和散熱器之間加墊片，減小接觸熱阻的方法進行散熱。

2.阻容器件的散熱

1）電阻的散熱

電阻的溫升與功率損耗、電阻結構與尺寸、表面狀態(tài)、與其他元件的距離、安裝位置及周圍環(huán)境有關。當電阻通過電流時會產生熱量，熱量的大小與其本身的功率損耗有關。

在正常環(huán)境下，功率損耗小的電阻（如0.5W以下）一般是通過本身輻射、對流和固定連接片或兩端引線的傳導進行散熱，其中傳導散熱的散熱量占50%，對流散熱占40%，輻射散熱占10%。對于功率損耗較大的電阻，除了利用上述的散熱方式外，陶瓷電阻、琺瑯電阻和玻釉電阻的外皮層也是一個良好的散熱裝置。另外，為加強電阻輻射散熱能力，電阻表面通常涂以無光澤的粗糙漆。

電阻的溫升除與其自身的功率損耗有關外，還與電阻使用時的承耗比有著密切的關系，承耗比是指電阻實際工作的功率與電阻額定使用功率之比。承耗比越大，電阻的溫升越高，電阻的失效率也越大。對琺瑯電阻的表面溫度一般應控制在150℃左右，其承耗比一般為20%～40%，常用承耗比為1/3較為穩(wěn)妥。隨著使用的環(huán)境不同，電阻的額定功率也會發(fā)生變化，由于電阻組合方式的使用將導致額定功率下降，當使用幾個電阻并列組合時，若相互之間距離留位不充分，就會產生不利情況。當氣壓降低時，空氣的密度降低，使熱傳導率降低，這樣由于空氣對流的散熱量降低，額定功率也會下降。

2）電容的散熱

電容的參數(shù)包括額定電壓（耐壓）、電容量、絕緣電阻、損耗因數(shù)等，它們的大小都直接與溫度有關。溫度升高，對所有參數(shù)都有害，電容是一種極易受溫度影響的元件。

要使電容處于正常工作狀態(tài)，應將電容與高溫元件隔離，還應注意盡量降低電容的承壓比。承壓比是指電容的實際工作電壓與其額定電壓之比。承壓比越高，電容自身的發(fā)熱量越大，其故障率也越高；環(huán)境溫度越低，承壓比越小，則故障率越低。

3.集成電路的散熱

集成電路及復合固態(tài)器件的散熱與小功率晶體管相似，其引線數(shù)比較多，可供自然對流的面積大，功耗較大的集成電路常利用導熱條進行傳導散熱。

4.變壓器和扼流圈的散熱

變壓器的熱源是鐵芯和線包，其自然散熱的途徑對變壓器本身而言主要是熱傳導，外部散熱主要是熱對流、熱傳導，其次是熱輻射。

變壓器通常包括不帶罩變壓器和帶罩變壓器兩種結構。對于無外罩的變壓器，要求鐵芯與支架、支架與底板間應接觸良好，或鐵芯與底板直接接觸，以降低熱阻；對于帶罩的變壓器，其外罩也應與支架或底板接觸良好；為了提高對流散熱效果，可將變壓器墊起一定高度，并在底板上開設通風孔，變壓器的外罩涂覆黑色等無光澤的漆可提高熱輻射能力。

扼流圈和電感器的鐵芯損耗比較低，其散熱處理方法與變壓器相同。

5.電子管的散熱

對于不帶屏蔽罩的電子管，其在空間的散熱方式主要是輻射和對流，為了改善散熱條件，電子管及其他元器件安裝不宜過擠，最好采用垂直安裝。

對于帶有屏蔽罩的電子管，其屏蔽罩不僅具有屏蔽的作用，而且還有適當?shù)纳嶙饔?。其散熱途徑是：屏蔽罩吸收玻璃殼的熱輻射，通過屏蔽罩的導熱、對流和輻射等方式將熱量傳出去。因此，屏蔽罩的內表面應經無光氧化處理，使其具有較高的吸收率，以利輻射散熱；屏蔽罩的外表面也應是無光澤的。同時屏蔽罩的頂部應開通風口，以利對流散熱。6.2.3散熱器的選用

晶體管在電子設備中應用廣泛，工作過程中溫度的升高將影響其工作性能和技術參數(shù)，必須采取散熱措施。為了保證晶體管工作的穩(wěn)定性和可靠性，對于大功率的晶體管，通常是將晶體管安裝在合適的散熱器上，散熱器的外表面積較大，利用散熱器的自然對流和輻射可以加快晶體管的散熱量和散熱速度。

1.晶體管散熱原理

由于集電結存在內阻，流過電流時就會產生熱量，使集電結溫度升高，此溫度即為集電結結溫，用Tj表示，這是溫度最高的地方。熱量由集電結傳給管殼，使管殼溫度上升，管殼溫度為Tc，因此在集電結與管殼之間存在著熱阻Rtj，為晶體管的內熱阻。管殼傳熱有兩條路徑：一路把熱量傳給散熱器，此時散熱器的溫度為Tf，在管殼與散熱器之間存在熱阻Rtc，稱為晶體管的接觸熱阻。散熱器把熱量通過對流及輻射散發(fā)到周圍環(huán)境中，設環(huán)境溫度為Ta，則散熱器與環(huán)境之間存在的熱阻Rtf叫做散熱器熱阻。另一路為管殼通過對流與輻射，把熱量直接傳播到周圍環(huán)境，這時在管殼與周圍環(huán)境之間亦存在熱阻Rtv，若把晶體管的耗散功率Pc視為熱源，Rtf和Rtv相當于并聯(lián)，由于管殼的面積比散熱器面積小很多，因此，Rtv遠大于Rtf，可忽略不計，可以推算出下列計算公式。（6.16）式中：Pc為晶體管耗散功率，單位為W；Tj為晶體管集電結溫度，單位為℃，晶體管的允許最高結溫與其所用半導體材料（硅、鍺）有關，具體數(shù)值可從晶體管手冊中查到；Ta為環(huán)境溫度，單位為℃；Rtj為晶體管集電結和管殼之間的熱阻，單位為℃/W，各種型號晶體管的熱阻值可在晶體管手冊中查到；Rtc為晶體管管殼與散熱器之間的接觸熱阻，單位為℃/W，接觸熱阻隨晶體管管座與散熱器的接觸狀態(tài)、接觸表面情況而定；Rtf為散熱器熱阻，單位為℃/W。

2.常用散熱器

最常用的散熱器包括平板型散熱器、叉指型散熱器、鋁型材散熱器、輻射型散熱器和針狀散熱器。其中叉指型散熱器和鋁型材散熱器目前已標準化，使用時可查找相關標準或使用手冊。

（1）平板型散熱器。平板型散熱器結構簡單、制造方便、取材容易，也可以利用電子設備的機殼或底座作為散熱器，直接把晶體管裝在上面，特別是機殼，直接與外界空氣接觸，散熱條件好，經濟、可靠，可將機殼作為平板散熱器用。（2）鋁型材散熱器。鋁型材散熱器是由鋁合金擠壓成型的具有平行肋片的型材制成，利用肋片來增加散熱面積，形成一條條空氣對流槽，以提高散熱效果，它在較大功耗下具有較小的熱阻，因而散熱能力強，目前應用較廣泛。

（3）叉指型散熱器。叉指型散熱器是用約3mm厚的鋁板沖制成型，使其參差排列，因而增加了散熱面積，又由于其“指”向上直彎，從而改善了對流效果，同時避免了因“指”間的相互輻射吸熱而降低輻射傳熱的缺點，其散熱系數(shù)比鋁型材散熱器大。（4）輻射型散熱器。

輻射型散熱器的肋片對外有張角，改變了鋁型材散熱器在輻射方面的缺點，其對流、輻射作用較好，缺點是內徑與管的外徑難以很好地接觸，接觸熱阻加大，限制了它的使用。

（5）針狀散熱器。

針狀散熱器是在鋁板上等間距地密布針形的小柱，利用針表面進行對流、輻射散熱，因針的數(shù)量較多，所以散熱面積較大，具有良好的散熱效果。

3.散熱注意事項

（1）散熱器的選用。散熱器選擇的原則是在保證充分散熱的前提下，應盡量選用體積小、重量輕的散熱器，這樣可節(jié)省機內空間，減少設備的總重量。

（2）散熱器的安裝。安裝散熱器時應盡量選用散熱熱阻小的安裝方式。

（3）盡量減小界面熱阻。散熱器表面應平整、光潔，為減少散熱器與晶體管間的接觸熱阻，應注意保持二者界面間的平整與光潔。如果界面既平整、光潔，又無氧化層時，其間可不加墊片，否則應涂以硅脂或加裝導熱墊片。（4）散熱器的涂覆。為增加散熱器的輻射能力，散熱器表面應涂一層黑色油漆或氧化物等高輻射系數(shù)的涂層，應優(yōu)先選用具有黑色涂層的散熱器，并應保護涂層不受損壞。

（5）散熱器的安裝。在散熱器上安裝晶體管時，其安裝孔的尺寸應與晶體管引線的尺寸相符，孔不宜太大，也不宜太小，太大會影響散熱效果，太小會使引線與散熱器相碰，造成短路。（6）晶體管的安裝位置。晶體管應安裝于散熱器的中心。若在同一散熱器上裝多個管子時，可先近似地按晶體管功耗的比例將散熱器分割成幾部分，每個管子盡量放在相應部分的中心位置，這樣可使散熱器均勻受熱，提高散熱效率。

（7）散熱器的安放位置。應盡可能使散熱器直接接觸設備外部的空氣流，使環(huán)境溫度Ta降低，同時可提高散熱器對流換熱的效果。當散熱器必須置于設備內部時，應安裝在機內自然對流較強的地方。 6.3電子設備機內散熱

6.3.1元器件布局散熱

1.元器件散熱措施

在進行電子設備機內空間的熱設計時，必須了解設備及元器件的熱特性及環(huán)境條件等因素，合理地布局、安裝元器件以利自然散熱。結構設計時，電子設備內部元器件散熱常采取下列措施：

（1）在安裝發(fā)熱元器件時，元器件的引線應盡量短。安裝布置元器件、零部件時應貼近安裝面，以便傳導散熱。（2）減少接觸熱阻。安裝元器件時，最好貼緊安裝面，采用固定夾或螺釘固定并壓緊，同時，在接觸面處涂以導熱硅脂。

（3）保證氣流有足夠的自然對流通道。元器件、零部件及機箱側壁三者相互之間的距離應便于自然對流。底座、隔熱板、屏蔽板等設計時，在滿足強度和剛度條件下，應留有足夠的自然對流通道，并減小氣流阻力。

如圖6.3所示，元器件之間、板壁之間建議采用下列最小相鄰位置尺寸。圖6.3元器件之間的距離與尺寸關系鄰近的垂直發(fā)熱表面，d/L=0.25；鄰近的垂直發(fā)熱表面與冷表面，d=25mm；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的上表面之間，d/D＝0.85；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂直表面之間，d/D=0.7；鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的水平表面之間，d/D=0.65。（4）在電路允許的情況下，元器件應根據其熱特性按氣流方向排列，使它們在氣流通道上，并與氣流直接進行熱交換。將熱敏元件或耐熱差的元件放在進風口處，即氣流上游；將耐熱或發(fā)熱量大的元件放在出風口處，即氣流下游。（5）注意減小氣流阻力，同時應防止氣流短路。

若機箱內的底板、隔熱板、屏蔽板等大面積的結構設計不合理，可能阻礙自然對流的氣流，從而造成較大的阻力。固定印制板采用“空格式”結構，即用合金條支持印制板插座，在具有較高的機械強度的同時，使氣流流動的阻力減?。蝗舨捎么竺娣e底板，則擋住了機箱底部的通風孔，使空氣不得不拐彎并流過較長的路徑，這樣很不利于自然對流。尤其是當?shù)装迮c機箱底部之間的距離過小時，會產生較大的阻力。

同樣，機箱內的大面積器件如印制板，應使其板面方向與氣流流動方向保持一致，這樣對流時就具有較小的阻力。同時，為了保證整個電子設備能得到充分的熱交換，應注意消除自然對流的死區(qū)，避免造成局部散熱不良。（6）機箱開孔大小及位置應與內部發(fā)熱元件的位置相一致，盡量提高進、出風口的高度差。這是因為冷、熱空氣的密度不同引起了空氣的自然對流，機箱進、出風口的高度差越大，其溫差越大，進、出風口的空氣密度差也就越大，則對流散熱效果越好。

2.元器件的布局

為保證氣流有足夠的自然對流通道，元器件、零部件及機箱側壁三者相互之間應保持一定的距離。

在電路允許的情況下，元器件應根據其熱特征按氣流方向排列，使它們在氣流通道上，并與氣流直接進行熱交換。應將熱敏元件或耐熱差的元件放在進風口處（即氣流上游），而將耐熱或發(fā)熱量大的元件放在出風口處（即氣流下游），這樣可以防止熱量在機箱內擴散。如印制板上混合安裝各種集成電路時，應注意將功率大、發(fā)熱量大的集成電路放于氣流上游（入口處），將小功率、發(fā)熱量小的集成電路放于氣流的下游（出口處），這樣可使整個印制板上元件的溫度較為均勻。又如，在布置元器件時應將不耐熱的元器件（如電解電容）放在氣流的上游，而將本身發(fā)熱又耐熱的元件，如電阻、變壓器等放在氣流的下游。對流散熱主要是由于空氣的流動，氣流總是向風阻較小的地方流動，如果元器件配置不當，氣流就不會沿預定的路線流動，將導致部分元器件過熱，因此應減小需散熱部位（指需散熱的元器件位置）的風阻。當印制板上的元器件全部需散熱時，應使風阻均勻。

3.元器件的熱隔離

若同一機箱內同時具有較大發(fā)熱量的元器件和對溫度敏感的元器件，可在二者之間加裝隔熱板，隔開發(fā)熱體對受熱體的熱幅射及熱傳導。需要注意的是，隔熱板的安放及元器件的布置應有利于散熱，不應構成一個新的散熱障礙或新的熱干擾源，這可以作為安裝隔熱板的一個原則。

電阻、晶體管等發(fā)熱元器件應考慮靠近底板或機殼安裝。在不影響電性能的情況下進行“熱接地”，即把元件的“一極”接到機殼或底板等溫度較低的結構件上，以利于散熱。6.3.2電路板安裝位置

在確定印制電路板的安放時，應注意印制板的位置排列。若設備內只有一塊印制板，印制板垂直放置或水平放置，元件溫升幾乎沒有區(qū)別。但大多數(shù)設備的內部都使用幾塊或幾十塊印制電路板，這時印制板應垂直并列安裝，以利于自然對流換熱。在自然通風的條件下，一樣大小的印制板（元件高20mm左右）之間的配置間隔至少應在30mm以上，最好在35mm左右。當機箱內要同時裝多塊電路板時，應注意電路板本身在設備中的安裝方向與位置。從散熱的角度考慮，安裝結構應有助于形成空氣對流的通道，利用散熱和空氣的對流，散熱效果較好。若印制電路板在安放設計時，印制板本身阻礙了空氣的流動，則不利于通風和散熱。若同時將發(fā)熱量大的電源、變壓器及功率損耗大的電阻等器件安放在下部，而將對溫度較敏感的半導體器件安放在上部，則會造成上部的元器件受熱影響。因此不論是從散熱效果考慮，還是從溫升所引起的噪聲干擾角度考慮，都應從有利于散熱的角度出發(fā)。電路板在設備內應盡量垂直安放，并且能使空氣從下至上形成自然對流通道，中間不應有阻礙氣流的元器件。電路板除了應按電路功能設計外，還應考慮按發(fā)熱量大小歸類。同一塊印制板中若同時存在發(fā)熱量大的元器件和怕熱的元器件，應采取隔熱措施，同時在安裝時應注意方向，使發(fā)熱量大的元器件靠上安放，怕熱元器件靠下安放。6.3.3散熱總體布局

在進行電子設備的總體布局時，應合理布置進風口、出風口的位置，盡量增大進、出風口之間的距離和它們的高度差，應力求減小設備內部空氣的流動阻力。對于大面積的元器件及結構件，應特別注意其安放位置，它們有可能會阻斷氣流。若在空氣流通路徑中無大面積結構件，則散熱良好；若有大面積底板擋住空氣流通的路徑，則流阻較大，不利于散熱。 6.4箱體的通風散熱

6.4.1自然散熱與強迫散熱

1.電子設備機箱的散熱方法

電子設備箱體常用的散熱方法包括自然散熱、強迫通風散熱、液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、半導體制冷、熱管傳熱等。通常最常用的方法是自然散熱及強迫通風散熱。確定電子設備散熱的基本依據是設備的總發(fā)熱量。溫升與電子設備單位面積消耗功率的關系曲線如圖6.4所示，該曲線提供了電子設備的實際耗散功率P（輸入與輸出功率之差，單位為W）與設備的單位面積S（設備的面積，單位為m2）之比與溫升之間的大致關系。從圖中可見，30℃為基準線，當溫升超過30℃時，通?？刹捎脧娖壬岬姆椒ǎ划敎厣陀?0℃時，通?？刹捎米匀簧岬姆椒āD6.4溫升與電子設備單位面積消耗功率的關系

例6.1有一直流穩(wěn)壓電源，其輸入功率為600W，直流輸出功率為250W，設其機箱的外形尺寸為435mm（寬）×230mm（高）×440mm（長），判斷能否采用自然散熱？

解設機箱的表面積為S，則有S=2×（0.435×0.230+0.435×0.440＋0.230×0.440）

=0.785（m2）≈0.8（m2）設該設備的內部耗散功率為P，則有P=600-250=350（W）

例6.2設有一臺穩(wěn)壓電源，電源機箱尺寸為300mm×450mm×350mm，輸出電壓為0～30V