平板散热器热分析及计算
摘要：
平板型散热器是所有散热器中形状最简单的，也最容易画出它的热路图。对散热器的分析即是要确定散热器工作的环境温度，散热器的放置，散热器的冷却方式等。一般说来散热器的热量散失方式主要有热传导，对流及热辐射等三种，要计算散热热阻时需首先求出散热器的热传导率，对流换热系数，辐射换热系数。
关键字：
热路图，环境温度，传导，对流，辐射，热传导率，换热系数
平板散热器
平板散热器是指用高热传导率的材料制造成长方体，其上钻有一个或多个螺纹孔用来装置发热晶体的器件。最常见的是晶体和散热片组成的散热系统与PCB垂直放置，如下图： 图1-1 平板散热器装配图 参照上图，我们可画出对应的热路图： RhaRcTjRjcTcRchThRdRhTa 由上图可看出，系统热阻主要有三部分组成A.晶体内部发热源到晶体管壳热阻Rjc； B. 晶体管壳到散热器安装表面的接触热阻Rch；C.从散热器到环境的综合热阻Rha。 在这三个部分里面，晶体内热阻Rjc是由制造商所决定的，咱们无能为力改变它，但我 们必须要知道它的精确大小以利于日后的热阻计算；接触热阻只有一个简明公式来计算它， 它与接触压力，接触表面的平均粗糙度，以及接触处是否填充导热率比较高的材料等有关， 1
具体的数值也可由一些经验数据来确定。通常我们比较关心的就是散热器到环境的综合热阻Rha，关于它的计算在此要作详细的讨论。
平板散热器系统总热阻的计算
现在举一个实际的例子来详述怎样解决实际的平板散热器系统的散热问题。晶体二极管RHRP8120的封装型式为TO-330，将其用螺钉固定在单孔散热器上，如图1-1所示，H=4.5cm，L=2.0cm，W=0.5cm；假设由手册查得晶体内热阻Rjc=2.0℃/W，晶体的最高失效温度Tl=125℃。要求的工作环境温度为40℃，对该系统进行热分析。
由工作热网路图可知，系统总热阻R可由下式求出：
R?Rjc?Rch?Rha 其中： Rha?Rd?RcRh
Rc?RhRcRh
Rc?Rh 所以： R?Rjc?Rch?Rd?在上式中Rjc由晶体管守册可知Rjc=2.0℃/W；Rch为接触热阻，它的计算公式为： Rch?r/A
可根据《电子设备热设计基本原理》中图1-2查出r?3.0cm??C/W，估算
2A?2.5cm2，则可得： Rch?3.0/2.5?1.2?C/W
Rd为传导热阻，由传导热阻计算公式： Rd?W/AsK 由机械手册可查铝的热传导率K=1.67W/cm.℃ As?H?L?4.5?2.0?9.0cm 所以： Rd?0.5/?9.0?1.67??0.033?C/W
关于Rc及Rh的计算就比较复杂一点，这两个部分的热阻都与特性温度有关系。特性温度只能予先确定一个比较合适的值，进而计算出热阻，然后根据热阻计算出来的温度进行迭代，当两者之值差不多时就可确定热阻。
第情况一种假设散热器对环境为自然空气对流：
设定散热器表面的平均温度为Th?600C,则可以确定相关的空气物理特性。可由机械手册查出相应的物理特性如下（定性温度取Tp?Th?Ta/2?500C）：
k?2.83?10W/?cm??C?
?42?? a?0.257cm/s
2 2
Pr?0.698
由上面查得的物性参数我们可进一步计算格拉雪夫数Gr， Gr?g3???Ts?TaP 2a其中： ??1/?273?40??0.00319 g?980cm/s2 P?4.5cm(特征尺寸) 所以： Gr?980?0.00319??60?40?4.53 2(0.257) ?0.86?105
因：10?Gr?Pr?0.86?10*0.698?6.0?10?10，由热设计的基本原理： Nu?C?Gr?Pr?
n4549 ?0.59?6.0?104 ?9.24 由： hc?kNu/p 得 hc?2.83?10?4??0.25
?9.24/4.5
?5.8?10 而： Rc?1/?hc?As?
其中：As?4.5?2??2.0?0.5??2.0?0.5?23.5 Rc?1/5.8?10?4?23.5?73.2(℃/W) 对于辐射热阻的计算相对来说简单一些，一般有如下的公式： hr?5.67?10?12?4???T'?T'?/?T44SAS?TA?
4 ?5.67?10?12?273?60???273?40?/?60?40?
4?? ?0.000765
由热设计原理： Rh?1/(??hr?As) 假设散热器的表面黑度：??0.4，
3
?23.5) 所以： Rh?1/(0.4?0.000765 ?139(℃/W)
至此我们可求出系统总热阻：
R?Rjc?Rch?Rd?RcRh
Rc?Rh73.3?139
73.3?139 ?2.0?1.2?0.033? ?51.2(℃/W)
总温度降为： ?T?125?40?85C
则允许通过的最大功率为：Pmax??T/R?85/51.2?1.66（W） 可以算得： Th?40?1.66?48?119.7℃
再进行迭代计算： 取 Th?120℃， 则TP?(120?40)/2?80℃，再查空气物性参数如下：
k?3.05?10?4W/?cm??C? a?0.302cm/s
Pr?0.692
由上面查得的物性参数我们可再行计算格拉雪夫数Gr， Gr?所以： Gr?20g??Ts?Ta?P3 2a980?0.00319??120?40?4.53 2(0.302)5 ?2.5?10
又因：10?Gr?Pr?2.5?10?0.692?1.73?10?10 所以： Nu?C?Gr?Pr?
n4559 ?0.59?1.73?105 ?12.0 由： hc?kNu/p 得 hc?3.05?10
?4??0.25
?12.0/4.5
4
?8.15?10?4 而： Rc?1/?hc?As?
Rc?1/8.15?10?4?23.5?52.2(℃/W) 计算辐射热阻：
hr?5.67?10?12?273?120???273?40?/?120?40?
44???? ?0.00101
?23.5) 所以： Rh?1/(0.4?0.00101 ?105.3(℃/W) 总热阻为： R?Rjc?Rch?Rd?RcRh
Rc?Rh52.2?105.3
52.2?105.3 ?2.0?1.2?0.033? ?38.1(℃/W)
则允许通过的最大功率为：Pmax??T/R?85/38.1?2.23（W） 可以算得： Th?40?2.23?34.95?118℃
再次进行迭代计算取：Th?118℃，则Tp?79?80℃，此时的空气物理特性参数可近似地取80℃时的特性参数： 所以： Gr?9803?? ?0.00319?118?404.52(0.302)5 ?2.44?10
又因：10?Gr?Pr?2.44?10?0.692?1.69?10?10 所以： Nu?C?Gr?Pr?
n4559 ?0.59?1.69?105由： hc?kNu/p 得 hc?3.05?10?4??0.25?11.96
?11.96/4.5
?8.11?10 而： Rc?1/?hc?As?
?4 5