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标题: 有限空间里的自然对流散热问题 [打印本页]

作者: Arno 时间: 2016-11-15 17:12
标题: 有限空间里的自然对流散热问题
有个问题我是这样理解的，不知是否准确，有空请各位大神一起讨论讨论：

有一个被动散热的产品，底部进风；后方出风（因为ID关系出风开的很小）
通过仿真发现加了散热片之后主芯片温度高出Spec 2~3度，壳温超7~8度；
加大散热片面积发现对芯片温度稍微有改善，但是壳温没有改善，反而客体上高温区域变大了。

——>>>我是否可以理解为：
因为空间有限，自然对流条件不畅通；机壳内空气不能及时散出去到环境空气中；只有在内部温度饱和下的压力差迫使里面热气往外走，热交换条件差，但机壳内温度依旧出于饱和（高温）状态；

——>>>所以加大散热面积已经解决不了太大作用；反而因为散热片面积的加大；散热片高温导致的壳温高温区域面积加大了！
改善方案只能是通过再进一步加大散热出风孔才能解决，以增强对流效果。

作者: cyxde88 时间: 2016-11-15 17:26
你在相对密闭空间内增大散热器面积，算是一种均温手段，对较低CPU壳温确实有效果。但这种情况下并没有增强系统与外界环境换热能力。解决办法1.开通风孔，2.将热量适量导到壁面，并且提升辐射率。

作者: Arno 时间: 2016-11-15 17:38

cyxde88 发表于 2016-11-15 17:26
你在相对密闭空间内增大散热器面积，算是一种均温手段，对较低CPU壳温确实有效果。但这种情况下并没有增强 ...

1.塑料壳体，壳体本来就超温，如果再将热量导热到壳体，温度将会更高。
2.像这种对流条件不好的情况下，热气向外走是因为内部温度已经达到一个稳定值，只能依靠内部密度差引起的压力差迫使气体外流吗？

作者: scott 时间: 2016-11-15 17:53
检查下从底部进风口到后部出风口的风流速度是怎样的，你这种自然对流的风道可能无法形成有效对流，热量带不走，自然温升也就好不到哪去。

作者: Leonchen 时间: 2016-11-15 18:06
你的理解也是对的。我也有些建议，你可以参考。

关于对流换热。加大开孔，增强流通，肯定对散热有一定的优化作用，但肯定将会对ID造成影响。你需要分析目前的开孔率对散热的阻滞效应究竟有多大，具体方法可以通过仿真，也可以通过测试。我不太清楚你做的产品的功率密度，据我之前的经验，开孔率很低的话，和不开孔有时差异并不大。当然，这个差异和具体的产品还是相关性很大的。

对于自然散热的产品，对流换热的源动力是温度差异。因为温度有差异，空气的密度才会有差异，才会引起空气的流动。这里面其实存在一个博弈，那就是，当空气温度差异增加，对流换热就会被强化，而反过来，当对流换热增强了，那么温度之间的差异又会被减小。这样，实际上开孔对温度的降低效应会呈现一个非线性的函数关系。这个函数关系，和内部热流密度、材料以及温度的绝对值（不止是温差——后面会说为什么不止是温差）都有关系。

当器件上增加散热器，很显然，芯片的热量被更大范围的均摊，温度自然会降低。但为什么外壳的温度没有表现出同等幅度的降低？其实也不难理解。
器件上增加散热器，本质上产品的发热量应该不会改变（改变的话那咱得另当别论了）。我们先分析不开孔的产品。对于不开孔的自然散热的产品，内部热量导出只能通过外壳散失。这样，虽然加大了内部的散热器，但外壳面积不变、内部热量不变，外壳温度怎么可能出现大幅度的变化呢？外壳温度出现变化确实也有种可能，那就是说内部散热器变得很大，内部空气的温度不均匀性被弱化，这样外壳上原本存在的温度局部高点也会相应弱化。这样，反过来讨论楼主的案子，楼主提及出风口很小，可见产品内外对流换热所占的比例不会很大。即使有个10%~30%的比例，单纯加大散热器，也未必会使这部分热量变化太多。于是，外壳温度并没有表现出太明显变化。

当然，我们分析也是为了找寻问题根源，归根结底仍然要回归到怎么解决问题上来。我的建议如下：
1、通过仿真或者测试，求取出风口最佳开孔率，这个可能要配合ID的同事，如果是消费类电子，有可能你干了半天，一句就给你否了；
2、自然散热另外一个传热方式千万不要忘记，那就是辐射。你可以通过在外壳表面、散热器表面喷涂相关提高辐射换热强度的物质来强化辐射换热，这一条，有时非常见效（当然，还是跟具体案例有关）；
3、还有一条，可能不适用，因为这一条受具体产品限制比较大，那就是直接干掉散热器，让芯片通过贴导热材料接触外壳，但外壳上贴均热板，避免出现局部热点，影响客户体验。这一方法，有时也非常见效。

除此之外，当然还有很多优化方法，但这些优化方法受具体案例的限制就更严格了，你的产品未必能使用，我也就不再列举啦。一款产品的精益设计，即使是表面上看起来很简单的散热，也是各方配合的结果。

预祝楼主解决难题！

Leon

作者: collins 时间: 2016-11-15 18:09
给楼上俩位点个赞

作者: Jason1028 时间: 2016-11-16 09:15
这类问题，我还是强烈建议贴个图出来。也不知道你的芯片是不是贴在机壳上的，还是通过热桥连接。散热器翅片增加的相对位置。
这种条件不明确的问题，让人分析，本身就是猜问题，搞不好还会误导你

作者: Arno 时间: 2016-11-16 13:04
附上图片

作者: cyxde88 时间: 2016-11-16 14:47

zya453930842 发表于 2016-11-16 13:04
附上图片

从图片来看
1.进风口位于PCB板子下方，和出风口流路较长。且开孔面积不足；
2.从芯片和散热器尺寸来看，这个散热器底座也太小了，肋片方向也不对吧；
3.cpu与斜面的距离不到10mm吧，可以利用斜面散热

作者: cyxde88 时间: 2016-11-16 14:48

zya453930842 发表于 2016-11-16 13:04
附上图片

作者: Arno 时间: 2016-11-16 16:09

cyxde88 发表于 2016-11-16 14:48
从图片来看
1.进风口位于PCB板子下方，和出风口流路较长。且开孔面积不 ...

感谢回复：
1.进风口下面是一个面；不是只有我红色说的进风口那边，距离出风口也有比较近的地方。
2.肋片方向是按照和出风口垂直的角度捡的，应该是利于对流的。
3.CPU到斜面的距离不足5mm。

作者: Arno 时间: 2016-11-16 16:16

Leonchen 发表于 2016-11-15 18:06
你的理解也是对的。我也有些建议，你可以参考。

关于对流换热。加大开 ...

感谢Leon的回复，同时我也有如下疑问请教：
1.“对流换热的源动力是温度差异。因为温度有差异，空气的密度才会有差异，才会引起空气的流动”
我想请教：是不是因为有限空间内温度升高，气体密度变小，进而引起的内部压力高于外部压力迫使气体流动？
因为我有看到：一、气体在开放的空间里时，密度越大，压强越大；
二、气体在封闭的空间里时，密度越小，压强越大。

作者: cyxde88 时间: 2016-11-16 16:58
中间图红色区域上方的我还以为是个散热器，肋片方向是平行于出风口

作者: Arno 时间: 2016-11-16 18:19

cyxde88 发表于 2016-11-16 16:58
中间图红色区域上方的我还以为是个散热器，肋片方向是平行于出风口

如果平行于出风口不就阻挡气流的路径了吗？

作者: Leonchen 时间: 2016-11-18 21:28

zya453930842 发表于 2016-11-16 16:16
感谢Leon的回复，同时我也有如下疑问请教：
1.“对流换热的源动力是温度 ...

关于对流换热怎么理解，想想孔明灯。气体温度身高则密度降低，密度低的东西，是不是会产生浮升力？所以你看，一把小火，孔明灯就飘上了天。

作者: nuaachenyu 时间: 2017-2-4 16:28
想跟楼主确认一下，你和版主所讨论的壳温是指机箱外壳还是芯片的封装塑料外壳？

作者: 风雨变幻502 时间: 2017-2-10 16:55

Leonchen 发表于 2016-11-15 18:06
你的理解也是对的。我也有些建议，你可以参考。

关于对流换热。加大开孔，增强流通，肯定对散热有一定的优 ...

Leon神，对你的这句话'那就是说内部散热器变得很大，内部空气的温度不均匀性被弱化，这样外壳上原本存在的温度局部高点也会相应弱化。''不是很理解。外壳上的温度局部高点会被弱化，只能说明高温区域面积变大吧！但是壳温超7~8度又怎么解释呢？

作者: Leonchen 时间: 2017-2-10 18:00

风雨变幻502 发表于 2017-2-10 16:55
Leon神，对你的这句话'那就是说内部散热器变得很大，内部空气的温度不均匀性被弱化，这样外壳上原本存在 ...

壳温超七八度，与温度不均匀性的减弱是两个不同的问题。自然对流的产品，从能量守恒+散热途径两个角度去考虑，我的回答你就可以理解了。1、发热量就这么多；2、所有的热量都只能通过外壳散失到周围环境中去。

作者: 风雨变幻502 时间: 2017-2-10 20:16

Leonchen 发表于 2017-2-10 18:00
壳温超七八度，与温度不均匀性的减弱是两个不同的问题。自然对流的产品，从能量守恒+散热途径两个角度去 ...

那这样理解的话，假如在一个密闭的环境里，功耗不变，其它不变，加大散热翅片也不会造成壳温超七八度呀，最多高温区域扩大吧？我主要疑惑就是为啥壳温还会超七八度

作者: Leonchen 时间: 2017-2-13 20:25

风雨变幻502 发表于 2017-2-10 20:16
那这样理解的话，假如在一个密闭的环境里，功耗不变，其它不变，加大散热翅片也不会造成壳温超七八度呀， ...

密闭空间中，里面怎么整，对外表面的平均温度影响不会很大。壳温超七八度，不是加大散热翅片造成的，而是内部发热量本来就这么大。你可以把整个的内部想象成一个芯片，把外壳视为一个散热器，就好理解了。

作者: bluewind 时间: 2017-6-29 08:58
赞L的回复，非常以及全面

作者: Rocky19891204 时间: 2020-11-13 21:12
顶一下

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