散熱片

散熱片是增加發熱元件散熱表面的物體。 這可以防止過熱可能造成的損壞。

從熱源到周圍冷卻介質（通常是空氣，但也有水或其他液體）的熱傳遞主要取決于溫差、有效表面和冷卻介質的流速。 散熱片的任務是通過熱傳導將熱量損失從發熱部件散發出去，然后通過熱輻射和對流將其散發到環境中。 為了盡可能降低熱阻，

• 散熱片由具有良好導熱性的材料組成
• 有一個深色且盡可能大的表面
• 垂直安裝以通過煙囪效應支持空氣流通。

散熱片通常由導熱性好的金屬組成，通常是鋁或銅。 在工業大批量生產中，鋁或鋼板外殼的零件通常用作散熱片。

最近的發展是由陶瓷材料（氧化鋁和氮化鋁）制成的散熱片，它們特別用于電力電子和 LED 應用中的散熱。

根據要求，散熱片有多種設計：

• 帶肋的金屬塊，主要由擠壓鋁制成
• 用于由銅制成的冷卻器，作為實心金屬板，帶有由銅或鋁制成的壓制或（很少）焊接的翅片，但也由實心材料銑削而成。
• 沖壓和彎曲金屬板
• 由鋁、彈簧青銅或鋼板制成的可連接冷卻星和冷卻葉片

待冷卻的部件通過螺釘、夾具、粘合劑或夾具以盡可能小的距離相互連接。 副作用是經常發生的機械連接，特別是通過螺釘。

為了促進熱傳遞，接觸面通過機械加工（銑削、車削、磨削）制成平面或二維。

其他材料用于微電子，但在這里它們主要用于分配組件內的熱量。 如果除了良好的導熱性外還需要電絕緣，則使用金剛石，其導熱系數比銀好約五倍。 最近的一項發展是碳納米管，其導熱系數幾乎是銀的 14 倍。

散熱片用于電力電子和計算機，特別是用于冷卻功率半導體，例如在電力機車、高保真放大器的輸出級、電源、冷卻袋中的珀耳帖元件或處理器中。 放射性同位素發生器也需要散熱片，用于為衛星或遠程燈塔提供電能。 LED 供電的燈還需要散熱片來散發積聚的熱量，尤其是使用更強大的 LED 并降低溫度。

散熱片的形狀和大小主要取決于初始物理條件。

指定散熱片的特征值，絕 對熱阻，相當于電阻，計算公式為：

R t h K = a ? T i ? T U P Q ? b ? ( R t h G + R t h M )

使用的參數：

R t h = 一般的熱阻 R t h K = 散熱片的熱阻 R t h G = 待冷卻組件外殼的熱阻R t h M = 組件與散熱之間的連接面（導熱膏或導熱膠）的熱阻片T i = 熱源的溫度，例如，是半導體元件中阻擋層的最高溫度 T U =冷卻介質的溫度 P Q = 要從待冷卻組件散發的熱量輸出

熱阻構成散熱片結構進一步計算的基礎，在此基礎上，可以包括額外的因素 a 和 b ，例如：

• 冷卻介質（氣體或液體）的類型和特性
• 自由或強制對流
• 水平或垂直安裝位置
• 散熱片表面的（深）色
• 回顧性執行可能由
  • 不可避免的環境溫度升高
  • 反射熱輻射

在密閉房間內有自由對流的情況下，房間內的安裝位置、散熱片的安裝位置和設計也必須考慮在內。 具有垂直排列的散熱片的垂直安裝位置對應于最佳位置。 另一方面，如果散熱片水平安裝，散熱片的排列就起著重要的作用。 在這種情況下，如果散熱片與散熱片的縱軸垂直而不平行地布置，則有利于冷卻性能。

散熱片的形狀和大小也取決于經濟因素。 必須考慮要冷卻的組件的特殊特性。

被動散熱片主要通過對流工作：周圍的空氣被加熱，變得特別輕并上升，導致較冷的空氣流入。 在更高的溫度下，熱輻射也起著一定的作用，這就是電子產品中散熱片 n 的表面經常被陽極氧化的原因（見黑體）。 這將發射率增加到相關波長范圍（約 10 μm）中的幾乎一個。 與散熱片必須是黑色的普遍假設相反，陽極氧化的顏色沒有任何意義； 顏色僅影響可見波長范圍，這與電子產品中常見的溫度范圍 (< 150 °C) 無關。

被動散熱片最常用的材料是鋁。 原因是：

• 相對較低的材料價格
• 易于加工（擠壓型材）
• 低密度
• 高熱容量
• 令人滿意的導熱性

銅雖然具有較高的導熱性，但較重、價格較高且加工難度較大，因此主要用于主動冷卻器。

主動散熱片通常有一個電動風扇輪，以引導足夠的空氣質量沿著身體。 如果根據溫度控制風扇速度，則可以降低功率要求和噪音。 主動冷卻器還包括液體冷卻。

采用強制冷卻或強制風冷的散熱片可實現高達僅基于對流的被動式冷卻器六倍的冷卻能力，使用相同數量的材料，因此可以非常緊湊地構建。 缺點是會產生噪音，以及由于灰塵、污垢或風扇故障而導致過熱的風險。 因此，傳感器經常監控風扇速度、氣流或溫度。 軸流風扇可以安裝在散熱片上方的散熱片上，使其向散熱片的方向吹氣（反向是不利的），也可以沉入（集成）到散熱片中。 扁平徑流式風扇從側面吹過散熱片的布置需要很小的高度。

主動式冷卻器通常比被動式冷卻器具有更細的肋條，因此由于高流阻不適合純對流冷卻。

在高功率二極管激光器的情況下，“主動冷卻”意味著所謂的微通道冷卻器（具有非常細的冷卻通道的液體冷卻器，靠近熱源并具有高流速）。 另一方面，在該行業中，“被動冷卻”被理解為熱交換器，其中熱量最初通過傳導傳播。

熱管不能取代散熱片，而只能用于傳輸熱量或改善熱量分布和動態行為。 它通常用于狹小空間，以將熱量從組件傳導到實際的散熱片。 熱管原理用于筆記本電腦和非常緊湊的電力電子組件，并且越來越多地用于冷卻組件，例如圖形卡、芯片組，當然還有功能強大的計算機中的處理器。

另一個應用領域是衛星和太空旅行，因為沒有空氣可以直接散熱。 熱管將熱能傳導到外壁，大而暗的散熱器提供輻射。

裝配過程中殘留的表面不平度會導致空氣夾雜，由于空氣的導熱性相對較低，這會導致所謂的熱點。 為了補償這種不均勻性，以產生從組件到散熱片的更好的熱傳遞，通常在組裝前涂上一層薄薄的導熱膏。當需要隔離組裝（電流隔離）或在一定距離組裝時使用導熱墊. 使用由云母、陶瓷（Al2O3、BeO）、硅橡膠或特殊塑料聚酰亞胺制成的圓盤。