一、輻射換熱

熱設計工程師通常不關心電子元件和外殼的輻射換熱。

影響輻射換熱的三個因素是物體與其周圍環境之間的溫差、物體與其周圍的表面特征以及物體對周圍環境的狀態。

首先，溫度差是設備外殼和外部機箱之間的差值，或者外部機箱和房間墻壁之間的差值。由于輻射熱傳遞是基于這種溫差的，當組件與其周圍環境之間的差值變得足夠高，輻射散熱就變得足夠重要了，此時設備很可能已經超過了其最高結溫。但在室溫下，輻射換熱還不到空氣中對流換熱所能傳遞熱量的10%。

其次，覆蓋設備或機箱的表面特性是另一個重要變量。電子產品中使用的材料通常對輻射是不透明的。但在用于電子器件的溫度范圍內，表面的顏色不會影響輻射發射率。

最后是視圖因子。這是離開一個表面并被另一個表面攔截的輻射的分數。對于較大球體內的球體，這可能高達1.0，或者非常低，例如兩個角度接近180°的板。代數方程可以計算視圖因子，不過這通常需要在計算機的幫助下完成。

盡管在電子封裝時通常不考慮輻射，但封裝可能會通過靠近高溫源來吸收輻射熱。這種情況可能發生在汽車的發動機艙中，其中電子模塊暴露在熱發動機部件和排氣歧管的輻射熱中。雖然物體的顏色在輻射冷卻中并不重要，但當物體可以從寬帶輻射源吸收熱能時，顏色就很重要了，尤其是當我們將電子封裝暴露在陽光下時。

二、自然對流和輻射換熱條件下的電子散熱器

半導體技術的快速發展已經導致微電子器件的散熱增加。被動冷卻是電子和電力電子設備的廣泛首選方法，因為它是一種價格低廉、安靜且無故障的解決方案。空氣冷卻被認為是電子封裝熱設計中的一項重要技術，因為在成本、空間和重量限制下，使用翅片來增強空氣冷卻是最簡單有效的散熱器結構。因此，開發一種系統的空氣冷卻散熱器設計方法對于滿足當前的熱需求和未來電子元件的高溫具有非常重要的意義。

仿真計算的目的是：研究在翅片上添加間斷的影響，并確定翅片陣列不同幾何參數的最佳值，主要是翅片的高度、間距和厚度。上一節中提到，當散熱器被加熱時，熱邊界層開始在相鄰散熱片的相對表面的底部邊緣形成。如果翅片或通道足夠長，則邊界層最終合并，從而產生完全展開的通道流。間斷的翅片破壞了熱邊界層的生長，保持了熱發展的流動狀態，這反過來又導致了更高的自然傳熱系數。

仿真計算的翅片幾何形狀以及幾何參數如圖所示。取一個立方體電子外殼（100cm X 100cm X 100 cm），中心線熱負載產生50W的熱量。翅片用于兩個側面。環境溫度為328K。

輻射傳熱系數的計算，參考下圖，相鄰表面的輻射屏蔽效應。

1. 計算無散熱片的仿真結果如下圖所示。

模擬結果表明，平均表面溫度接近390K左右。

2. 帶連續散熱片的仿真結果如下圖所示。

模擬結果表明，平均表面溫度接近356 K左右。

3. 帶間斷散熱器（每個散熱片中心有5mm的切口）的仿真結果如下圖所示。

模擬結果表明，平均表面溫度接近344K左右。

從計算結果中可以看出，由于翅片的中斷，與連續翅片散熱器相同情況下，表面溫度降低了近10K。這是由于翅片中的中斷重置了流體動力學和熱邊界層，并且新的邊界層生長，從而增加了整體對流傳熱系數。

文章來源：CAE工程師筆記