散热器设计
理论：表面积与风量的权衡
概述
我以为翅片越多越凉快，样机温度却反而升高了。为什么？
增加翅片表面积增大，但间隙变窄，空气更难流过。风扇在阻力大时风量减少，所以超过某一片数后，风量减少的影响超过表面积增加。而且风量少时空气本身向出口升温，与翅片的温差变小。散热器设计的基本做法是：由风扇特性与压降的平衡确定风量，计入空气温升比较热阻。
以进口空气为基准的热阻
用换热器效能（NTU法）的思路，求包括空气温升的热阻。$\dot m c_p$ 为空气热容流率，$A_{eff}$ 为乘以翅片效率后的有效面积。
翅片效率与工作点
$H$ 为翅片高度，$t$ 为厚度，$k$ 为材料热导率。风量 $Q$ 由散热器压降与风扇静压曲线的交点决定。
从真空管到CPU
电子设备散热从真空管时代起就是大课题。晶体管使发热减少，但随着集成电路提速发热又增加，到20世纪90年代个人电脑CPU已离不开带风扇的散热器。当时从理论上求翅片最佳间距的研究（如Bar-Cohen和Rohsenow）成为设计指南。如今用热管和均热板把热量扩散到翅片，用CFD同时优化风扇和散热器已很普遍。
算例：改变翅片数
铝（热导率200 W/mK），底面100×100 mm，翅片高30 mm、厚1.2 mm，空气40 ℃。风扇特性为静压80 Pa到最大风量15 L/s的直线。同时给出发热60 W时的温升（省略底板扩散热阻）：
| 翅片数 | 间隙 | 风量 | 压降 | 换热系数 | 热阻 | 60 W温升 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 9.8 mm | 12.4 L/s | 14 Pa | 24 W/m²K | 0.677 K/W | 40.6 K |
| 20 | 4.0 mm | 11.1 L/s | 21 Pa | 35 W/m²K | 0.285 K/W | 17.1 K |
| 30 | 2.2 mm | 8.8 L/s | 33 Pa | 52 W/m²K | 0.173 K/W | 10.4 K |
| 35 | 1.7 mm | 7.1 L/s | 42 Pa | 64 W/m²K | 0.160 K/W | 9.6 K |
| 40 | 1.3 mm | 5.4 L/s | 51 Pa | 79 W/m²K | 0.176 K/W | 10.5 K |
| 50 | 0.8 mm | 2.3 L/s | 68 Pa | 126 W/m²K | 0.385 K/W | 23.1 K |
换热系数随片数增加一直上升，热阻却在35片左右最小。
间隙越窄换热系数越高，但风量减少、空气升温。50片时风量降到2.3 L/s，60 W使空气升温约23 K。只看表面换热，50片热阻为0.034 K/W，看起来非常好；计入空气温升后为0.39 K/W。忽视这一差别，就会设计成翅片过密。实际上还有底板内热扩散的热阻和灰尘堵塞间隙，所以比最优稍微稀一点更实用。
设计步骤
- 由发热量、允许温升和环境空气温度确定所需热阻。
- 准备风扇特性（静压-风量曲线）。
- 改变翅片数、高度和厚度，在工作点上计入空气温升比较热阻。
- 加上底板扩散热阻和热界面材料热阻。
- 用CFD确认机箱内流动偏差（绕过散热器的空气）。
“风量达不到计算值”
某散热器单独计算应足够凉，装进设备后元件温度却高了10 K以上。用CFD求解整台设备，发现散热器与机箱之间有缝隙，风扇近一半的风没从翅片间通过，而是从阻力小的缝隙溜走了。加装类似风道的隔板把空气引到翅片间后，温度接近计算值。散热器性能由整个空气通路决定，而不是散热器单体。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 假设风量不变 | 翅片过密 | 用风扇特性求工作点 |
| 忽略空气温升 | 低估热阻 | 以进口空气为基准 |
| 翅片效率取1 | 高估高翅片 | 计算效率 |
| 忽略绕流空气 | 实机温度高 | 风道与整机CFD |
| 忽略底板扩散 | 热源正上方偏热 | 加上扩散热阻 |
我想试试相关计算。