散热片

散热片是增加发热元件散热表面的物体。 这可以防止过热可能造成的损坏。

从热源到周围冷却介质（通常是空气，但也有水或其他液体）的热传递主要取决于温差、有效表面和冷却介质的流速。 散热片的任务是通过热传导将热量损失从发热部件散发出去，然后通过热辐射和对流将其散发到环境中。 为了尽可能降低热阻，

• 散热片由具有良好导热性的材料组成
• 有一个深色且尽可能大的表面
• 垂直安装以通过烟囱效应支持空气流通。

散热片通常由导热性好的金属组成，通常是铝或铜。 在工业大批量生产中，铝或钢板外壳的零件通常用作散热片。

最近的发展是由陶瓷材料（氧化铝和氮化铝）制成的散热片，它们特别用于电力电子和 LED 应用中的散热。

根据要求，散热片有多种设计：

• 带肋的金属块，主要由挤压铝制成
• 用于由铜制成的冷却器，作为实心金属板，带有由铜或铝制成的压制或（很少）焊接的翅片，但也由实心材料铣削而成。
• 冲压和弯曲金属板
• 由铝、弹簧青铜或钢板制成的可连接冷却星和冷却叶片

待冷却的部件通过螺钉、夹具、粘合剂或夹具以尽可能小的距离相互连接。 副作用是经常发生的机械连接，特别是通过螺钉。

为了促进热传递，接触面通过机械加工（铣削、车削、磨削）制成平面或二维。

其他材料用于微电子，但在这里它们主要用于分配组件内的热量。 如果除了良好的导热性外还需要电绝缘，则使用金刚石，其导热系数比银好约五倍。 最近的一项发展是碳纳米管，其导热系数几乎是银的 14 倍。

散热片用于电力电子和计算机，特别是用于冷却功率半导体，例如在电力机车、高保真放大器的输出级、电源、冷却袋中的珀耳帖元件或处理器中。 放射性同位素发生器也需要散热片，用于为卫星或远程灯塔提供电能。 LED 供电的灯还需要散热片来散发积聚的热量，尤其是使用更强大的 LED 并降低温度。

散热片的形状和大小主要取决于初始物理条件。

指定散热片的特征值，绝 对热阻，相当于电阻，计算公式为：

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

使用的参数：

R t h = 一般的热阻 R t h K = 散热片的热阻 R t h G = 待冷却组件外壳的热阻R t h M = 组件与散热之间的连接面（导热膏或导热胶）的热阻片T i = 热源的温度，例如，是半导体元件中阻挡层的最高温度 T U =冷却介质的温度 P Q = 要从待冷却组件散发的热量输出

热阻构成散热片结构进一步计算的基础，在此基础上，可以包括额外的因素 a 和 b ，例如：

• 冷却介质（气体或液体）的类型和特性
• 自由或强制对流
• 水平或垂直安装位置
• 散热片表面的（深）色
• 回顾性执行可能由
  • 不可避免的环境温度升高
  • 反射热辐射

在密闭房间内有自由对流的情况下，房间内的安装位置、散热片的安装位置和设计也必须考虑在内。 具有垂直排列的散热片的垂直安装位置对应于最佳位置。 另一方面，如果散热片水平安装，散热片的排列就起着重要的作用。 在这种情况下，如果散热片与散热片的纵轴垂直而不平行地布置，则有利于冷却性能。

散热片的形状和大小也取决于经济因素。 必须考虑要冷却的组件的特殊特性。

被动散热片主要通过对流工作：周围的空气被加热，变得特别轻并上升，导致较冷的空气流入。 在更高的温度下，热辐射也起着一定的作用，这就是电子产品中散热片 n 的表面经常被阳极氧化的原因（见黑体）。 这将发射率增加到相关波长范围（约 10 µm）中的几乎一个。 与散热片必须是黑色的普遍假设相反，阳极氧化的颜色没有任何意义； 颜色仅影响可见波长范围，这与电子产品中常见的温度范围 (< 150 °C) 无关。

被动散热片最常用的材料是铝。 原因是：

• 相对较低的材料价格
• 易于加工（挤压型材）
• 低密度
• 高热容量
• 令人满意的导热性

铜虽然具有较高的导热性，但较重、价格较高且加工难度较大，因此主要用于主动冷却器。

主动散热片通常有一个电动风扇轮，以引导足够的空气质量沿着身体。 如果根据温度控制风扇速度，则可以降低功率要求和噪音。 主动冷却器还包括液体冷却。

采用强制冷却或强制风冷的散热片可实现高达仅基于对流的被动式冷却器六倍的冷却能力，使用相同数量的材料，因此可以非常紧凑地构建。 缺点是会产生噪音，以及由于灰尘、污垢或风扇故障而导致过热的风险。 因此，传感器经常监控风扇速度、气流或温度。 轴流风扇可以安装在散热片上方的散热片上，使其向散热片的方向吹气（反向是不利的），也可以沉入（集成）到散热片中。 扁平径流式风扇从侧面吹过散热片的布置需要很小的高度。

主动式冷却器通常比被动式冷却器具有更细的肋条，因此由于高流阻不适合纯对流冷却。

在高功率二极管激光器的情况下，“主动冷却”意味着所谓的微通道冷却器（具有非常细的冷却通道的液体冷却器，靠近热源并具有高流速）。 另一方面，在该行业中，“被动冷却”被理解为热交换器，其中热量最初通过传导传播。

热管不能取代散热片，而只能用于传输热量或改善热量分布和动态行为。 它通常用于狭小空间，以将热量从组件传导到实际的散热片。 热管原理用于笔记本电脑和非常紧凑的电力电子组件，并且越来越多地用于冷却组件，例如图形卡、芯片组，当然还有功能强大的计算机中的处理器。

另一个应用领域是卫星和太空旅行，因为没有空气可以直接散热。 热管将热能传导到外壁，大而暗的散热器提供辐射。

装配过程中残留的表面不平度会导致空气夹杂，由于空气的导热性相对较低，这会导致所谓的热点。 为了补偿这种不均匀性，以产生从组件到散热片的更好的热传递，通常在组装前涂上一层薄薄的导热膏。当需要隔离组装（电流隔离）或在一定距离组装时使用导热垫. 使用由云母、陶瓷（Al2O3、BeO）、硅橡胶或特殊塑料聚酰亚胺制成的圆盘。