鳍片方向之争：竖直 vs 水平，哪种散热更强？
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211、985硕士，从业16年+
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本期给大家带来的是关于散热器放置方式研究内容，希望对大家有帮助。
大多数高功率电子设备都是通过强制对流气流来冷却的，但偶尔也需要自然对流冷却，决定因素，包括成本、噪音、振动和可靠性。
自然对流是由被热源加热的环境空气产生的压差产生的。靠近热源的空气从表面吸收热量，比周围的空气更热，并由于密度差异而上升。较冷的空气取代了较温暖的空气，从而形成了自然的对流流。
热源的几何形状在确定传热特性方面起着重要的作用。电路板上的芯片：电路板相对于重力方向可以通过自然对流对冷却芯片有很大的影响。
埃里森模型是对带热源PCB散热研究的简化装置，如下图1所示，以预测特定热源相对于重力方向的特定方向的局部传热系数。
图1.电路板的常见安装方向
图1显示了电路板的两种常见安装方向。示例A是一组PCI板，它们沿着重力方向堆叠，从而使电路板垂直于重力。示例B显示了一堆与重力平行排列的ATCA板。
有计算公式，
其中，
h：表面换热效率（W/㎡*℃）
Tw：封装表面温度（℃）
Ta：环境温度（℃）
f，n：下表1列的数据
Lch：特征长度（m）表1
表1 埃里森分析模型中使用的参数表
在自然对流的应用中，为了获得最大的传热量，电路板应堆放在垂直平面上。由于自然对流，增加了垂直方向的板子空间整合力度与其单位面积的传热
对于悬挂在垂直结构中的单个板，所产生的速度剖面将是抛物线形的。不受任何其他影响，唯一的可控变量是调整电路板的高度、宽度和功率。
当多个板堆叠以创建垂直通道时，通道速度相互作用。它们之间的相互作用是电路板之间的间距或通道宽度的函数。
图2是一个自适应的图表，显示了在温差为20°C和恒定的板面积为0.078㎡时，两组平行电路板的散热量作为通道宽度的函数。
图2 自然对流中，电路板的散热量与板间距的函数关系图
A和B是设计点，其中连接到原点的线的斜率代表每单位通道宽度的功率量。B点显示有一个最大的斜率，代表这个特定结构的最大可能封装密度。为了最大限度地提高电路板的功率密度，我们应针对b点进行设计。
上述函数关系式描述如下，可对其进行优化，
其中，
Sopt：最佳板间距
H：板高
△T：温差
对于两个板的结构，一个板上的平均努塞特数可以用以下公式来计算，
其中，
Ra:雷利数
Hb：板高（m）
Sb:板表面积（㎡）
对于两个热通量相等的板之间的通道，最关键的位于最靠近通道排气口的板的末端。
在这种特殊情况下，最佳板间距可以定义为，
其中，
Ras：雷利数
S：板间距（m）
H：板高（m）
同样，对一组具有均匀热通量的板末端的局部传热系数的计算可以得到，
其中，
qs：热通量
Ts：板边缘的表面温度
Ta：环境温度
S：板间距
Kf：流体导热系数
上述方程对于计算基于可行假设的初始和简单的模型是有用的。在某些情况下，以类似通道配置的存储模块可以被建模为一组具有均匀热通量的板——热传递特性可以从上述相关性中估计出来。
对于一般的平板翅片散热器，翅片高度为H，翅片之间的间距为B，有一个相对的翅片间距与翅片长度比，这将在给定的体积内提供最佳的热传递。
当空间限制使用更大尺寸的散热器时，优化其自然对流设计和提高其效率是关键。
图3：简单的板式散热器
因为散热器需要确定从基板，一个等效的通道宽度传递的热量。等效通道宽度类似于水力直径，如下所示，
其中，
H：鳍片高度图3所示
B：鳍片表面之间的距离（翅片间距减去翅片厚度）
图4.不同的鳍间距和鳍高度自然对流的散热器
散热器的散热量可以通过这个等效的通道宽度和假定的环境和散热器表面之间的温差来找到。
图4所示的结果突出了改变鳍高度相对于鳍间距的影响。结果表明，对于一个标准或现成的解决方案是更大的鳍间距与鳍高度比。
通过利用优化引导自然空气运动，可以有效地优化电子设备冷却散热方案。对于竖直放置在电子设备中的发热板，通过优化板间距，可优化系统功率密度。
同时，通过优化散热器鳍高度和鳍间距，也可影响系统整体散热。