自然对流散热器的选型计算
简短回答：自然对流散热器的选型公式为 A = P ÷ (h × ΔT)，其中垂直翅片散热器的 h 值（包括黑色阳极氧化表面的辐射）约为 4–8 W/m²·K，ΔT 是允许的散热器与环境温差。一个允许温升 40 °C 的 20 W LED 驱动器需要约 600–900 cm² 的翅片表面积；在相同温升下，50 W 负载需要约 1,500–2,000 cm²，并且需要明显较大的挤压型材。垂直翅片间距应为 6–12 mm，保持散热器垂直且翅片垂直，如果翅片水平或空气路径受阻，预计性能会下降约 20–40%。如果计算出的占位面积看起来太大，自然对流就是错误的方案——这是需要增加强制风冷的信号。
自然对流是热设计中最安静的方案：无风扇、无噪音、无运动部件故障、无滤网积尘。它是 LED 灯具、电源适配器、仪器仪表以及任何可靠性和静音优先于原始散热能力的产品的默认选择。代价是尺寸。仅靠浮力驱动的空气是弱热载体，因此散热器必须提供大表面积，且几何形状能让热空气干净地上升离开。选型并不神秘——就是一个公式、一套翅片间距规则，以及诚实检查结果是否适合你的产品。
选型公式与 h 的真实取值
散热器在静止空气中冷却的稳态平衡与任何对流问题相同：散热量等于有效表面传热系数乘以润湿面积乘以温差，即 P = h × A × ΔT。整理后，所需表面积为 A = P ÷ (h × ΔT)。关键在于 h，即有效传热系数，因为自然对流的 h 值很小，而辐射贡献很大。
对于垂直平板或带垂直翅片的散热器，纯对流系数约为 3–6 W/m²·K，具体取决于尺寸和温升。当表面为黑色阳极氧化时，辐射会增加约 2–4 W/m²·K 的等效系数，因为涂层将发射率从裸铝的约 0.1 提升到约 0.85–0.95。这就是为什么黑色阳极氧化垂直翅片散热器的实际规划值约为 6–9 W/m²·K，也是为什么裸抛光铝在被动设计中表现极差——你失去了辐射，而辐射可能占总热路径的三分之一。所有被动使用的散热器和 散热器 都应进行黑色阳极氧化，除非应用禁止该颜色。
一个可复制的选型示例
为 LED 驱动器的 20 W 热量选型散热器，目标壳温 80 °C，环境温度 40 °C，则 ΔT = 40 °C。假设黑色阳极氧化散热器带垂直翅片，h = 7 W/m²·K。所需面积 A = 20 ÷ (7 × 40) = 0.071 m²，约 710 cm² 的翅片表面积。一个 150 × 150 mm 占位面积、两侧带 15 mm 高翅片的散热器大致能提供该面积；具体翅片数量由下面的间距规则决定。如果产品只允许 20 °C 温升——例如附近有不能耐热的塑料外壳——面积将翻倍至约 1,400 cm²，这说明了为什么温度预算是被动设计中最大的杠杆。
| 热负载 | 允许 ΔT | 使用的 h | 所需翅片面积 | 典型散热器等级 |
|---|---|---|---|---|
| 10 W | 40 °C | 7 W/m²·K | ~360 cm² | 100 × 100 mm 基板，15–20 mm 翅片 |
| 20 W | 40 °C | 7 W/m²·K | ~710 cm² | 150 × 150 mm 基板，15–20 mm 翅片 |
| 20 W | 20 °C | 7 W/m²·K | ~1,430 cm² | 大型挤压型材，高翅片 |
| 50 W | 40 °C | 7 W/m²·K | ~1,790 cm² | 200 × 200 mm 等级或无风扇机箱 |
| 50 W | 40 °C | 4 W/m²·K（裸铝） | ~3,130 cm² | 不切实际——阳极氧化或增加强制风冷 |
该表刻意保持简单：实际设计还需乘以翅片效率，对于间距宽、高度短的翅片，翅片效率接近 90%，而对于高而密的翅片则远低于此，并且要考虑热源占位面积的扩散。这些数字是面积目标，将面积转化为实际翅片的 翅片效率与排布 规则在翅片设计指南中介绍。该表传达的是规模：被动冷却需要充裕的空间，而辐射加阳极氧化比相同裸散热器有效面积大约多 40–75%。
翅片间距：大多数设计搞错的规则
自然对流中的翅片会产生自己的气流：翅片间的每个空气通道受热上升，从下方吸入冷空气。如果翅片太近，每个翅片的边界层合并，空气停止流动，内部翅片几乎不起作用——散热器增加了从未接触流动空气的表面积。如果翅片太远，空气自由流动，但浪费了基板面积和重量。被动散热器的实际间距范围为约 6–12 mm，较高的翅片需要更宽，因为上升气柱需要更多空间加速。
| 翅片高度 | 推荐翅片间隙（自然对流） | 每 25 mm 典型翅片数 |
|---|---|---|
| 10–15 mm | 5–8 mm | 3–4 |
| 15–30 mm | 6–10 mm | 3 |
| 30–60 mm | 8–12 mm | 2–3 |
| 水平翅片 | 10–15 mm + 降额 | 2–3 |
将这些间隙与强制风冷散热器比较，后者通常为 1.5–3 mm，因为风扇推动空气通过狭窄通道。试图将被动散热器按强制对流优化，或反之，是散热器选型中最常见的新手错误——两种模式的完整比较见 自然对流与强制对流指南。对于被动设计，更少、更高、间距良好的翅片总是优于许多薄翅片。
安装方向、阻塞及必须应用的降额
自然对流由重力驱动，因此安装方向不是外观问题——它影响 20–40% 的性能。最佳情况是散热器垂直安装且翅片垂直，使热空气直接通过通道上升并从下方吸入冷空气。将相同散热器水平安装翅片水平，空气必须在每个通道转弯，容量降低约 15–30%。将整个组件面朝上放在平盖下，气流完全停止，只剩下辐射和传导到外壳。如果产品方向多变，按最坏情况选型，因为被动散热器在预期方向下尺寸不足将在现场失效，没有风扇可以补偿。
阻塞几乎与方向同样重要。散热器下方和上方需要间隙让空气进入和离开：通常翅片下方需要 10–20 mm 的开放空间，上方出口畅通无阻。靠近翅片尖端的外壳壁会阻碍流动，密封外壳完全破坏被动冷却——热量仍然必须离开盒子，因此被动设计通常需要通风口或金属机箱作为最终散热器。当你无法为空气提供路径时，诚实的选择是 强制对流 或将热量转移到外壳壁，而不是更大的散热器。
常见问题
问：自然对流散热器的最佳翅片间距是多少？
答：翅片间约 6–12 mm 的间隙，较高的翅片更宽，是被动冷却的实际范围。低于 5 mm 的间隙会阻碍浮力气流，增加不起作用的表面积，这与强制风冷散热器通常采用紧密间隙不同。
问：如何计算被动散热器所需的表面积？
答：使用 A = P ÷ (h × ΔT)，对于黑色阳极氧化垂直翅片散热器，h 约为 6–9 W/m²·K，ΔT 是允许的散热器与环境温差。40 °C 温升下的 20 W 负载需要约 600–900 cm² 的翅片面积，每节省一度允许温升，散热器尺寸成比例缩小。
问：黑色阳极氧化真的能改善自然对流性能吗？
答：是的，显著改善。裸铝的发射率约为 0.1，而黑色阳极氧化铝达到约 0.85–0.95，在被动使用中辐射可带走约三分之一的热量。相同散热器黑色阳极氧化后的表现相当于有效面积增加 40–75% 的散热器。
问：安装方向对被动散热器影响多大？
答：垂直翅片与水平翅片之间通常为 15–30%，如果气流受阻则更大。自然对流依赖于热空气通过翅片通道上升，因此将翅片垂直安装，下方留 10–20 mm 间隙用于进气，保持上方出口畅通。
问：什么时候应该停止尝试自然对流？
答：当所需表面积或占位面积不再适合你的产品，或外壳密封时。被动冷却本质上需要充裕空间，如果计算得出不切实际的散热器，增加风扇或将热量转移到外壳壁比强行使用巨大挤压型材更便宜。
相关资源
- 自然对流与强制对流散热器——何时从被动冷却过渡到主动冷却。
- 散热器选型计算——包含热阻预算的完整分步方法。
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