散热器性能：铜就一定比铝材质的效果好吗？
本期给大家带来的是关于电子产品中散热器的瞬态响应分析研究内容，希望对大家有帮助。
散热器被广泛应用于通过散热和降低温度来延长电子元件的使用寿命。散热器由于其表面积的扩大，改善了对流传热。
之前有篇文章专门讲过散热器表面积的故事，感兴趣的可以点击阅读散热器面积越大，它的散热能力越强？？？
随着元器件（MOSFET等）功率密度的不断增加，尺寸的越来越小，散热器已成为现代电子设备中不可或缺的一部分。
散热器的瞬态响应是一个重要的特性，其对时间敏感的设备热流量和环境气流研究至关重要。
在瞬态分析时，时间常数=热阻*热容
我们知道，热阻的推导公式，R=l/（k*A）；
热容表示了物质在温度变化时吸收或释放热量的能力，即mCp；
那么，整理后的Tc的计算公式如下，
Tc=ρVCpl/(k*A)
其中
ρ：密度
V：体积
Cp：比热容
k：导热系数
A：导热截面积
l：导热路径厚度
经验公式：开机经过5*Tc时间后，固体大致达到热平衡。
一般来说，散热器的响应时间与其材料属性、表面的对流传热密切相关。
接下来，本文研究在不同热流和流动条件下，铝与铜材质散热器的瞬态响应数值仿真分析。
CFD分析采用Flotherm进行，研究中使用的模型如下图1所示。
图1. CFD模型
两个直鳍散热器，一个是铝的，一个是铜的，放置在一个数值风洞的中心。散热器的全部尺寸如表1所示。散热器的长宽高都是40×40×30 mm。
表1.散热器尺寸
其散热器底座中心的表面热源为20×20 mm。在CFD模型中，散热器的顶部间隙和侧间隙分别为20 mm和10 mm。
为了达到本研究的目的，分别仿真研究对比10、20、40 W的热负荷和2、4、6 m/s的速度，气流设置为湍流。
铝和铜的物理性质列于表2。虽然铜的密度是铝的3.2倍，但铜的ρCp（密度和比热的产物）仅是铝的1.4倍。
表2.铝和铜的特性
图2和图3显示了铝散热器在热流量为40 W，进气速度为6 m/s时，流向截面的稳态速度和温度分布，而进气温度为25˚C。
图2.铝制散热器的速度分布（Q = 40 W，V = 6 m/s.）
图3：铝散热器温度分布（Q = 40 W，V = 6 m/s）
图4显示了垂直于流速方向的散热器横截面的温度分布。
图4：铝散热器温度分布（Q = 40 W，V = 6 m/s）
在瞬态CFD模拟中，假设散热器的初始温度为25˚C。本文中的散热器温度为散热器底座中心的温度。
表3计算了不同热流和不同速度下的稳态散热器温度和热阻。
表3.铝散热器稳态温度和热阻
表4显示了铜散热器的类似结果。铜散热器的热阻比铝散热器小约0.1˚C/W。这是由于两种材料的导热系数的差异而产生。
表4.铜散热器稳态温度和热阻
由上表3、4的统计数据可以看出，散热器的热阻是流速的函数，如下图所示，
散热器热阻随速度的函数
时间常数求解
时间常数的求解方法：t时刻固体的温度值估计公式，可借助该公式求解Tc：
其中，
T:器件的t时刻点温度;
Ts:器件的稳态温度;
Tamb:环境温度。
与热阻相似，瞬态响应时间tc与热负荷无关。
此案例中，我们取前900s的时间温度监测曲线，来对比同流速情况下，不同热源的瞬态响应情况。
图5显示了2 m/s时不同时间的铝散热器温度。
图5.铝散热器的温度监测曲线（V = 2m/s）
图6显示了在20 W的热负荷下，不同时间的铝散热器温度。这说明了瞬态响应时间是一个很强的速度函数。它随着风速的增加而减小。
图6：铝散热器的瞬态温度响应（Q = 20 W）
图7显示了不同时间为2 m/s速度下的铜散热器温度。
图7：铜质散热器的瞬态温度响应（V = 2 m/s）
图8显示了在20 W热流量下不同时间的铜散热器温度。
图8：铜质散热器的瞬态温度响应（Q = 20 W）
与相同条件下的铝散热器相比，铜散热器的瞬态响应温度更小，瞬态响应时间更大。
铝散热器的温度响应比铜散热器快，因为其ρCp比铜散热器小。
简单计算表明，铝散热器的瞬态响应时间约为铜散热器的75%。
铝和铜散热器之间的瞬态温度的比较如图9所示。
图9.铝和铜散热器对比
总结
研究表明，散热器的瞬态响应时间几乎与热负荷无关。它只是流量条件和散热器的ρCp的函数。
与相同流量条件下的铜散热器相比，相同尺寸的铝散热器具有较快的响应时间。铜散热器热阻较小，需要较长的时间才能达到稳定状态。
一般来说，铝散热器被推荐为需要快速温度响应的应用。由于其优越的性能和缓慢的温度反应，铜散热器适用于高热通量的应用、在波动或循环边界条件下需要缓慢温度上升的情况。
当然也必须考虑其他因素，如可制造性和生产成本等。
参考文献
flotherm软件，瞬态分析高级教程
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