五、自然冷却系统设计

1．设计要求

自然冷却是大多数小型电子元器件（或产品）最常采用的散热方式。设计时一般应遵循以下要求：

① 应尽可能缩短传热路径，增大换热或导热面积。

② 应尽可能将组件内产生的热量通过组件机箱或安装架散出去。

③ 应尽量采用散热热阻小的导轨，增大机箱表面的黑度，增大辐射换热。

④ 元器件的安装方向和安装方式，应能保证能最大限度利用对流方式传递热量。

⑤ 元器件的安装方式，应充分考虑到周围元器件的热辐射影响，以保证元器件的温度都不超过其最大工作温度。

⑥ 对靠近热源的热敏感元器件应采用热隔离措施。

⑦ 对于功率小于100mW的中小功率集成电路及小功率晶体管，一般可不增加其他散热措施。

2．设计方法

（1）机壳的散热设计

机壳的散热设计中，可采用在机壳表面涂覆散热性能好的涂料，或在外壳开设通风口的方式。其中散热涂料的方式散热效果更好，但应注意需涂覆在内外表面，以增强散热效果；通风结构的设计以便于空气对流为原则，两侧通风孔的设计应注意防止气流短路影响散热效果；通风孔的位置应对准主要发热元器件，以使冷空气能够直接冷却元器件；通风孔进出口应设在温差最大的两处，并且进风口的位置应尽量低、出风口的位置尽量高。

（2）变压器散热设计

如果不带外罩则铁芯与支架间的固定平面应仔细加工，以便形成良好的热接触，或在固定面上用支架垫高，并在底板上开通风孔，使气流形成对流。

（3）真空元器件设计

相对位置不宜过近，不宜过于靠近机壳侧壁，其他元器件离真空元器件不要太近，以免影响自然对流换热。可在管座周围的底板上打孔，以加快气流循环，改善散热效果。

3．设计案例

图1 自然散热系统设计实例

六、强迫风冷散热系统设计

1．设计要求

强迫风冷散热系统广泛应用于体积小、功率大的电子产品中。设计时一般应遵循以下要求：

① 应合理控制气流方向和流量，使其按照预定的路径通行，应保证所有元器件均在低于额定温度的环境下工作。

② 进行元器件排布时，应按元器件发热量顺序排列，耐温性能低的元器件排列在冷空气的最上游（靠近进风口），其次是发热量小的元器件，最后是发热量大的元器件。

③ 对于发热量大且耐温性差的元器件，应尽量使其暴露在冷气流中。

④ 对于导热性好、体积较大的变压器、电感类元器件，可通过传导方式将热量传到附近有冷空气流过的底板上。

⑤ 发热量大的元器件应尽量集中排布，并与其他元器件热绝缘，以便进行单独的集中通风冷却。

⑥ 元器件的排列应尽量减小对冷空气的传送阻力，尽量不要在风道上安装大型元器件，以避免造成阻塞。

2．设计方法

强制风冷系统的设计包括通风管道的设计、通风口的设计及通风机的选用。

（1）通风管道的设计

① 在保证气流不短路的情况下，通风道应尽量短，以降低风道的阻力损失。

② 应尽可能用直管，以便于加工并减小风阻。当不得不采用弯曲管道时，应尽量采用局部阻力小的结构，并且尽量在风速最小处弯折。

③ 应合理选择管道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸应尽可能与风机的出口匹配，以避免增大风阻。

④ 大功率元器件的送风管截面形状应根据元器件的形状而定，以增强散热效果。

（2）通风口的设计

① 通风口的开设应有利于形成有效的自然对流通道。

② 进风口应尽可能对准发热元器件，出风口应尽可能远离进风口。

③ 通风口应开在温差较大的相应位置，且进风口应尽可能低，出风口尽可能高，以防止气流短路。

（3）通风机的选用

① 应根据电子产品通风冷却系统所需的风量、风压、邻近空间大小选择通风机类型。

② 对于要求风量大、风压低的应用系统，优选轴流式通风机，反之则优选离心式通风机。

③ 对于空用电子产品，为确保冷空气的输送量，应采用可变速的通风机以适应不同海拔工作的需要。

3．设计案例

图2是某大功率电源产品的强制风冷散热系统设计（采用风扇＋散热器结构）。

图2某大功率电源产品的强制风冷散热系统设计

七、液冷式冷板散热系统设计

液冷式冷板散热系统适用于较高的环境温度下或高密度热源下工作的情况。设计时一般应遵循以下要求：

① 优选水作为冷却剂，设计时应保证冷却剂能自由膨胀，且机箱必须能承受冷却剂的最大蒸汽压力。

② 要确保冷却剂不会在最高的工作温度下沸腾（如有必要，应安装温度控制元器件），还应确保冷却剂不会在最低温度下结冰。

③ 直接液体冷却适用于体积及功率密度很高的元器件或设备，也适用于必须在高温环境条件下工作且元器件与被冷却表面之间温度梯度很小的部件。

图3 某液冷式冷板散热系统的结构设计

八、其他冷却系统设计介绍

1．半导体制冷系统

半导体制冷又叫温差电制冷，是建立在帕尔贴效应基础上的一种制冷方法。其原理是：当对两种不同导体组成的电偶对通电流时，在电偶的相应接头处会发生吸热和放热现象。这一现象在半导体中表现得更为突出，因此可利用这一原理进行可控温度调节。

半导体制冷系统的优点是：制冷量和冷却速度可以通过改变电流的大小而调节，不需要制冷剂，无机械部件，设计简单、维修方便，可靠性高。

设计半导体制冷系统时，应注意热面温度不应高于60℃（必要时在热面加装强制液冷等高效散热措施），以避免帕尔贴的损坏，同时，冷面的工作温度应控制在20℃以上，以避免结露。

图4是某种帕尔贴实物图及其应用系统。

图4 帕尔贴实物图及其应用系统

2．热管制冷系统

热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成。它利用蒸发制冷的原理，增大热管两端的温差，以加快热量的传递。

热管制冷方式的优点是：具有很强的导热能力、优良的稳定性和可调节热流密度等特点，是一种适应性很强的散热系统。其缺点是设计相对复杂。

图5 热管散热系统的结构设计