..yealink產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)VCS項(xiàng)目散熱預(yù)研歐國(guó)彥2012-12-4熱設(shè)計(jì)、冷卻方式、散熱器、熱管技術(shù)電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)為什么要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)在調(diào)試或維修電路的時(shí)候,我們常提到一個(gè)詞"**燒了",這個(gè)**有時(shí)是電阻、有時(shí)是保險(xiǎn)絲、有時(shí)是芯片,可能很少有人會(huì)追究這個(gè)詞的用法,為什么不是用"壞"而是用"燒"？其原因就是在機(jī)電產(chǎn)品中,熱失效是最常見(jiàn)的一種失效模式,電流過(guò)載,局部空間內(nèi)短時(shí)間內(nèi)通過(guò)較大的電流,會(huì)轉(zhuǎn)化成熱,熱**不易散掉,導(dǎo)致局部溫度快速升高,過(guò)高的溫度會(huì)燒毀導(dǎo)電銅皮、導(dǎo)線和器件本身。所以電失效的很大一部分是熱失效。高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落。溫度對(duì)元器件的影響：一般而言,溫度升高電阻阻值降低；高溫會(huì)降低電容器的使用壽命；高溫會(huì)使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降,一般變壓器、扼流圈的允許溫度要低于95C；溫度過(guò)高還會(huì)造成焊點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)的變化—IMC增厚,焊點(diǎn)變脆,機(jī)械強(qiáng)度降低；結(jié)溫的升高會(huì)使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加,導(dǎo)致集電極電流增加,又使結(jié)溫進(jìn)一步升高,最終導(dǎo)致元件失效。那么問(wèn)一個(gè)問(wèn)題,如果假設(shè)電流過(guò)載嚴(yán)重,但該部位散熱極好,能把溫升控制在很低的范圍內(nèi),是不是器件就不會(huì)失效了呢？答案為"是"。由此可見(jiàn),如果想把產(chǎn)品的可靠性做高,一方面使設(shè)備和零部件的耐高溫特性提高,能承受較大的熱應(yīng)力〔因?yàn)榄h(huán)境溫度或過(guò)載等引起均可；另一方面是加強(qiáng)散熱,使環(huán)境溫度和過(guò)載引起的熱量全部散掉,產(chǎn)品可靠性一樣可以提高。散熱設(shè)計(jì)的目的控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度,使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計(jì)算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ),并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個(gè)元器件的失效率相一致。散熱設(shè)計(jì)的方法冷卻方式的選擇我們機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)的是散熱方式是散熱片和風(fēng)扇兩種散熱方式,有時(shí)散熱的程度不夠,有時(shí)又過(guò)度散熱了,那么何時(shí)應(yīng)該散熱,哪種方式散熱最合適呢？這可以依據(jù)熱流密度來(lái)評(píng)估,熱流密度=熱量/熱通道面積。按照《GJB/Z27-92電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定〔如下圖1,根據(jù)可接受的溫升的要求和計(jì)算出的熱流密度,得出可接受的散熱方法。如溫升40℃〔縱軸,熱流密度0.04W/cm2〔橫軸,按下圖找到交叉點(diǎn),落在自然冷卻區(qū)內(nèi),得出自然對(duì)流和輻射即可滿足設(shè)計(jì)要求。大部分散熱設(shè)計(jì)適用于上面這個(gè)圖表,因?yàn)榛旧仙岫际峭ㄟ^(guò)面散熱。但對(duì)于密封設(shè)備,則應(yīng)該用體積功率密度來(lái)估算,熱功率密度=熱量/體積。下圖〔圖2是溫升要求不超過(guò)40℃時(shí),不同體積功率密度所對(duì)應(yīng)的散熱方式。比如某電源調(diào)整芯片,熱耗為0.01W,體積為0.125cm3,體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3,查下圖得出金屬傳導(dǎo)冷卻可滿足要求按照上圖,可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導(dǎo)熱一強(qiáng)迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻射、自然對(duì)流等方法冷卻；強(qiáng)迫風(fēng)冷；0.43～O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸發(fā)冷卻。注意這是溫升要求40℃時(shí)的推薦參考值,如果溫升要求低于40℃,就需要對(duì)散熱方式降額使用,0.122時(shí)就需要選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷,如果要求溫升很低,甚至要選擇液冷或蒸發(fā)冷卻了。散熱器的選擇這里面還應(yīng)注意一個(gè)問(wèn)題,是不是強(qiáng)迫風(fēng)冷能滿足散熱要求,我們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速呢,當(dāng)然不是,風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有直接關(guān)系,這里又涉及一個(gè)新概念——熱阻。熱阻=溫度差/熱耗〔單位℃/W熱阻越小則導(dǎo)熱性能越好,這個(gè)概念等同于電阻,兩端的溫度差類(lèi)似于電壓,傳導(dǎo)的熱量類(lèi)似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計(jì)算,如果我們?cè)跓嵩O(shè)計(jì)方面要求不是很苛刻,可通過(guò)估算或?qū)嶒?yàn)得出,如果要求很苛刻,可以查閱《GJB/Z27-92電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》,里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合,三言兩語(yǔ)說(shuō)不清楚,個(gè)別系數(shù)我也沒(méi)搞明白如何與現(xiàn)實(shí)的風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)合,比如,風(fēng)道中有一束電纜、風(fēng)道的壁不是均勻的金屬板,而是有高低不平帶器件的電路板,對(duì)一些系數(shù)則只能估算了,最準(zhǔn)確的方式反而是實(shí)驗(yàn)測(cè)量了。熱阻更多的是用于散熱器的選擇,一般廠家都能提供這個(gè)參數(shù)。舉例,芯片功耗20W,芯片表面不能超過(guò)85℃,最高環(huán)境溫度55℃,計(jì)算所需散熱器的熱阻R。計(jì)算：實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.1℃/W,則<R+0.1>=<85-55>℃/20W,則R=1.4℃/W。依據(jù)這個(gè)數(shù)值選散熱器就可以了。這里面注意一個(gè)問(wèn)題,我們?cè)谟?jì)算中默認(rèn)為熱耗≈芯片功率,對(duì)一般的芯片,我們都可以這樣估算,因?yàn)樾酒袥](méi)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),沒(méi)有其他的能量轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì),大部分是通過(guò)熱量轉(zhuǎn)化掉了。而對(duì)于電源轉(zhuǎn)換類(lèi)芯片或模塊,則不可以這樣算,比如電源,它是一個(gè)能源輸出,它的輸入電量一部分轉(zhuǎn)化成了熱,另外很大部分轉(zhuǎn)化成電能輸出了,這時(shí)候就不能認(rèn)為熱耗≈功率。散熱器的設(shè)計(jì)方法3.1、散熱器設(shè)計(jì)的步驟通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步=1\*alphabetica:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。=2\*alphabeticb:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。=3\*alphabeticc:進(jìn)行校核計(jì)算。自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法、考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚,如果齒間距太小,兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉,影響齒表面的對(duì)流,所以一般情況下,建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm,如果散熱器齒高低于10mm,可按齒間距≥1.2倍齒高來(lái)確定散熱器的齒間距。、自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱,在散熱齒表面增加波紋不會(huì)對(duì)自然對(duì)流效果產(chǎn)生太大的影響,所以建議散熱齒表面不加波紋齒。、自然對(duì)流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理,以增大散熱表面的輻射系數(shù),強(qiáng)化輻射換熱。、由于自然對(duì)流達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長(zhǎng),所以自然對(duì)流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠,以抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊,建議大于5mm以上。強(qiáng)迫冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法在散熱器表面加波紋齒,波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。、增加散熱器的齒片數(shù)。目前國(guó)際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比,國(guó)內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對(duì)能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場(chǎng)合,建議采用低溫真空釬焊成型的冷板,其齒間距最小可到2mm。采用針狀齒的設(shè)計(jì)方式,增加流體的擾動(dòng),提高散熱齒間的對(duì)流換熱系數(shù)。當(dāng)風(fēng)速大于1m/s<200CFM>時(shí),可完全忽略浮升力對(duì)表面換熱的影響。在一定冷卻條件下,所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法在一定的冷卻體積及流向長(zhǎng)度下,確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法不同形狀、不同的成型方法的散熱器的熱傳遞效率比較的大小的方法散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法、相似準(zhǔn)則數(shù)的定義相似準(zhǔn)則數(shù)的應(yīng)用3.8、散熱器的基本的優(yōu)化方法3.9、不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法3.10、優(yōu)化散熱器齒間距的經(jīng)驗(yàn)公式及評(píng)估風(fēng)速變化對(duì)熱阻的影響的經(jīng)驗(yàn)公式3.11、輻射換熱的考慮原則=1\*GB3①如果物體表面的溫度低于50℃,可忽略顏色對(duì)輻射換熱的影響。因?yàn)榇藭r(shí)輻射波長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng),處于不可見(jiàn)的紅外區(qū)。而在紅外區(qū),一個(gè)良好的發(fā)射體也是一個(gè)良好的吸收體,發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無(wú)關(guān)。=2\*GB3②對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷,由于散熱表面的平均溫度較低,一般可忽略輻射換熱的貢獻(xiàn)。=3\*GB3③如果物體表面的溫度低于50℃,可不考慮輻射換熱的影響。=4\*GB3④輻射換熱面積計(jì)算時(shí),如表面積不規(guī)則,應(yīng)采用投影面積。即沿表面各部分繃緊繩子求得的就是這一投影面積,如下圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見(jiàn)。風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法4.1、自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)4.1.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)：機(jī)柜的后門(mén)<面板>不須開(kāi)通風(fēng)口。底部或側(cè)面不能漏風(fēng)。應(yīng)保證模塊后端與機(jī)柜后面門(mén)之間有足夠的空間。機(jī)柜上部的監(jiān)控及配電不能阻塞風(fēng)道,應(yīng)保證上下具有大致相等的空間。對(duì)散熱器采用直齒的結(jié)構(gòu),模塊放在機(jī)柜機(jī)架上后,應(yīng)保證散熱器垂直放置,即齒槽應(yīng)垂直于水平面。對(duì)散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu),除每個(gè)模塊機(jī)箱前面板應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口外,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口。4.1.2、典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式4.2、強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)4.2.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)：如果發(fā)熱分布均勻,元器件的間距應(yīng)均勻,以使風(fēng)均勻流過(guò)每一個(gè)發(fā)熱源.如果發(fā)熱分布不均勻,在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應(yīng)稀疏排列,而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件布局應(yīng)稍密些,或加導(dǎo)流條,以使風(fēng)能有效的流到關(guān)鍵發(fā)熱器件。如果風(fēng)扇同時(shí)冷卻散熱器及模塊內(nèi)部的其它發(fā)熱器件,應(yīng)在模塊內(nèi)部采用阻流方法,使大部分的風(fēng)量流入散熱器。進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：一方面盡量使其對(duì)氣流的阻力最小,另一方面要考慮防塵,需綜合考慮二者的影響。風(fēng)道的設(shè)計(jì)原則風(fēng)道盡可能短,縮短管道長(zhǎng)度可以降低風(fēng)道阻力；盡可能采用直的錐形風(fēng)道,直管加工容易,局部阻力??；風(fēng)道的截面尺寸和出口形狀,風(fēng)道的截面尺寸最好和風(fēng)扇的出口一致,以避免因變換截面而增加阻力損失,截面形狀可為園形,也可以是正方形或長(zhǎng)方形；4.2.2、電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式4.2.3、電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式熱設(shè)計(jì)的思路以上部分是定量設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容,在有了一個(gè)定量的設(shè)計(jì)指導(dǎo)后,也有一些具體的工程技巧來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算結(jié)果的要求。一般的熱設(shè)計(jì)思路有三個(gè)措施：降耗、導(dǎo)熱、布局。5.1、降耗降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響；布局是熱也沒(méi)散掉但通過(guò)措施隔離熱敏感器件；有點(diǎn)類(lèi)似于電磁兼容方面針對(duì)發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個(gè)措施。降耗是最原始最根本的解決方式,降額和低功耗的設(shè)計(jì)方案是兩個(gè)主要途徑,低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析,不予贅述。器件選型時(shí)盡量選用發(fā)熱小的元器件,如片狀電阻、線繞電阻<少用碳膜電阻>；獨(dú)石電容、鉭電容<少用紙介電容>；MOS、CMOS電路<少用鍺管>；指示燈采用發(fā)光二極管或液晶屏<少用白熾燈>,表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外,對(duì)一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償與控制也是解決問(wèn)題的辦法之一,尤其是放大電路的電容電阻等定量測(cè)量關(guān)鍵器件。降額是最需要考慮的降耗方式,假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線,標(biāo)稱能通過(guò)10A的電流,電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多,把導(dǎo)線加粗,增大余量,標(biāo)稱通過(guò)20A的電流,則同樣都是通過(guò)10A電流時(shí),因?yàn)閮?nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會(huì)減小,熱量就小。而且因?yàn)榻殿~,在環(huán)境溫度升高時(shí),器件性能下降情況下,但因?yàn)橛杏嗔?即使性能下降,也能滿足要求,這是降額對(duì)于增強(qiáng)可靠性的另一個(gè)作用。5.2、導(dǎo)熱導(dǎo)熱的設(shè)計(jì)規(guī)范比較多,挑一些比較常見(jiàn)的羅列具體如下：=1\*ALPHABETICA、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑須經(jīng)過(guò)整個(gè)散熱通道,一般進(jìn)風(fēng)口在機(jī)箱下側(cè)方角上,出風(fēng)口在機(jī)箱上方與其最遠(yuǎn)離的對(duì)稱角上；=2\*ALPHABETICB、避免將通風(fēng)孔及排風(fēng)孔開(kāi)在機(jī)箱頂部朝上或面板上；=3\*ALPHABETICC、為防止氣流回流,進(jìn)口風(fēng)道的橫截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和；=4\*ALPHABETICD、對(duì)靠近熱源的熱敏元件,采用物理隔離法或絕熱法進(jìn)行熱屏蔽。熱屏蔽材料有：石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環(huán)氧玻璃纖維板,也可用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷；=5\*ALPHABETICE、將散熱>1w的零件安裝在機(jī)座上,利用底板做為該器件的散熱器,前提是機(jī)座為金屬導(dǎo)熱材料；=6\*ALPHABETICF、熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須>30度；=7\*ALPHABETICG、PCB用多層板結(jié)構(gòu)〔對(duì)EMC也有非常非常大的好處,使電源線或地線在電路板的最上層或最下層…=8\*ALPHABETICH、熱源器件專門(mén)設(shè)計(jì)在一個(gè)印制板上,并密封、隔離、接地和進(jìn)行散熱處理；=9\*ALPHABETICI、散熱裝置<熱槽、散熱片、風(fēng)扇>用措施減少熱阻：=1\*alphabetica、擴(kuò)大輻射面積,提高發(fā)熱體黑度；=2\*alphabeticb、提高接觸表面的加工精度,加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)熱材料；=3\*alphabeticc、散熱器葉片要垂直印制板；=4\*alphabeticd、大熱源器件散熱裝置直接裝在機(jī)殼上；=10\*ALPHABETICJ、密封電子設(shè)備內(nèi)外均涂黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內(nèi)面的輻射能力要強(qiáng)〔涂黑,外面光滑〔不影響熱敏器件,通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱；=11\*ALPHABETICK、密封電子設(shè)備機(jī)殼內(nèi)外有肋片,以增大對(duì)流和輻射面積；=12\*ALPHABETICL、不重復(fù)使用冷卻空氣；=13\*ALPHABETICM、為了提高主要發(fā)熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相似的風(fēng)道內(nèi)；=14\*ALPHABETICN、抽鼓風(fēng)冷卻方式的選擇…=15\*ALPHABETICO、風(fēng)機(jī)的選擇…=16\*ALPHABETICP、被散熱器件與散熱器之間充填導(dǎo)熱膏<脂>,以減小接觸熱阻；=17\*ALPHABETICQ、被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸,接觸表面光滑、平整,接觸面粗糙度Ra≤6.3μm；=18\*ALPHABETICR、輻射是真空中傳熱的唯一方法=1\*alphabetica、確保熱源具有高的輻射系數(shù),如果處于嵌埋狀態(tài),利用金屬傳熱器傳至冷卻裝置上；=2\*alphabeticb、增加輻射黑度ε；=3\*alphabeticc、增加輻射面積s；=4\*alphabeticd、輻射體對(duì)于吸收體要有良好的視角,即角系數(shù)φ要大；=5\*alphabetice、不希望吸收熱量的零部件,壁光滑易于反射熱。=19\*ALPHABETICS、機(jī)殼表面溫度不高于環(huán)境溫度10℃；=20\*ALPHABETICT、液體冷卻設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)…=21\*ALPHABETICU、半導(dǎo)體致冷適用于…=22\*ALPHABETICV、變壓器和電感器熱設(shè)計(jì)檢查項(xiàng)目…=23\*ALPHABETICW、減小強(qiáng)迫對(duì)流熱阻的措施…=24\*ALPHABETICX、降低接觸熱阻的措施………5.3、布局=1\*ALPHABETICA、元器件布局減小熱阻的措施：=1\*alphabetica、元器件安裝在最佳自然散熱的位置上；=2\*alphabeticb、元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無(wú)絕熱或隔熱物；=3\*alphabeticc、發(fā)熱元件分散安裝；=4\*alphabeticd、元器件在印制板上豎立排放。=2\*ALPHABETICB、元器件排放減少熱影響：=1\*alphabetica、有通風(fēng)口的機(jī)箱內(nèi)部,電路安裝應(yīng)服從空氣流動(dòng)方向：進(jìn)風(fēng)口→放大電路→邏輯電路→敏感電路→集成電路→小功率電阻電路→有發(fā)熱元件電路→出風(fēng)口,構(gòu)成良好散熱通道；=2\*alphabeticb、發(fā)熱元器件要在機(jī)箱上方,熱敏感元器件在機(jī)箱下方,利用機(jī)箱金屬殼體作散熱裝置。=3\*ALPHABETICC、合理布局準(zhǔn)則：=1\*alphabetica、將發(fā)熱量大的元件安裝在條件好的地方,如靠近通風(fēng)孔；=2\*alphabeticb、將熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風(fēng)向平行,利于熱對(duì)流。=3\*alphabeticc、在自然對(duì)流中,熱流通道盡可能短,橫截面積應(yīng)盡量大；=4\*alphabeticd、冷卻氣流流速不大時(shí),元件按叉排方式排列,提高氣流紊流程度、增加散熱效果；=5\*alphabetice、發(fā)熱元件不安裝在機(jī)殼上時(shí),與機(jī)殼之間的距離應(yīng)>35—40cm。=4\*ALPHABETICD、冷卻內(nèi)部部件的空氣進(jìn)口須加過(guò)濾裝置,且不必拆開(kāi)機(jī)殼即可更換或清洗；=5\*ALPHABETICE、設(shè)計(jì)上避免器件工作熱環(huán)境的穩(wěn)定性,以減輕熱循環(huán)與沖擊而引起的溫度應(yīng)力變化。溫度變化率不超過(guò)1℃/min,溫度變化范圍不超過(guò)20℃,此指標(biāo)要求可根據(jù)產(chǎn)品不同由廠家自行調(diào)整；=6\*ALPHABETICF、元器件的冷卻劑及冷卻方法應(yīng)與所選冷卻系統(tǒng)及元件相適應(yīng),不會(huì)因此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電解腐蝕；=7\*ALPHABETICG、冷卻系統(tǒng)的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%一6%；=8\*ALPHABETICH、冷卻時(shí),氣流中含有水分,溫差過(guò)大,會(huì)產(chǎn)生凝露或附著,防止水份及其它污染物等導(dǎo)致電氣短路、電氣間隙減小或發(fā)生腐蝕。措施：=1\*alphabetica、冷卻前后溫差不要過(guò)大；=2\*alphabeticb、溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生凝露的部位,水分不會(huì)造成堵塞或積水；=3\*alphabeticc、如果有積水,積水部位的材料不會(huì)發(fā)生腐蝕；=4\*alphabeticd、對(duì)裸露的導(dǎo)電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施；上面對(duì)降耗、導(dǎo)熱、布局的三類(lèi)措施作了簡(jiǎn)要的羅列,在我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí),也要有一些系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和作為設(shè)計(jì)目標(biāo),比如電子設(shè)備的進(jìn)口空氣與出口空氣溫差應(yīng)<14℃、系統(tǒng)總功耗<**W、系統(tǒng)用到的電源電壓不超過(guò)**種〔種類(lèi)越多,變換就多,效率損失就多…熱設(shè)計(jì)的計(jì)算1、熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論1.1、自然對(duì)流換熱1.1.1、大空間的自然對(duì)流換熱Nu=C<Gr.Pr>n.定性溫度：tm=<tf+tw>/2定型尺寸按及指數(shù)按下表選取1.1.2、有限空間的自然對(duì)流換熱垂直封閉夾層的自然對(duì)流換熱問(wèn)題分為三種情況：<1>在夾層內(nèi)冷熱壁的兩股流道邊界層能夠相互結(jié)合,形成環(huán)流；<2>夾層厚度δ與高度之比δ/h>0.3時(shí),冷熱的自然對(duì)流邊界層不會(huì)相互干擾,也不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流,可按大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算方法分別計(jì)算冷熱的自然對(duì)流換熱；<3>冷熱壁溫差及厚度均較小,以厚度為定型尺寸的Gr=<Bg△tδ3>/υ3<2000時(shí),通過(guò)夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過(guò)程計(jì)算。水平夾層的自然對(duì)流換熱問(wèn)題分為三種情況：<1>熱面朝上,冷熱面之間無(wú)流動(dòng)發(fā)生,按導(dǎo)熱計(jì)算；<2>熱面朝下,對(duì)氣體Gr.Pr<1700,按導(dǎo)熱計(jì)算；<3>有限空間的自然對(duì)流換熱方程式：Nu=C<Gr.Pr>m<δ/h>n定型尺寸為厚度δ,定性溫度為冷熱壁面的平均溫度Tm=<tw1+tw2>1.2、流體受迫流動(dòng)換熱管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱管內(nèi)受迫流動(dòng)的特征表現(xiàn)為：流體流速、管子入口段及溫度場(chǎng)等因素對(duì)換熱的影響。入口段：流體從進(jìn)入管口開(kāi)始需經(jīng)歷一段距離后管兩側(cè)的邊界層才能夠在管中心匯合,這時(shí)管斷面流速分布及流動(dòng)狀態(tài)才達(dá)到定型。這段距離稱為入口段。入口段管內(nèi)流動(dòng)換熱系數(shù)是不穩(wěn)定的,所以計(jì)算平均對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)對(duì)入口段進(jìn)行修正。在紊流時(shí),如果管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比L/d>50則可忽略入口效應(yīng),實(shí)際上多屬于此類(lèi)情況。管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)則式：Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1<Pr/Prw>0.25管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式：tw>tfNu=0.023Re0.8Pr0.4.tw<tfNu=0.023Re0.8Pr0.3流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1.3.1、流量與斷面平均流速流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)過(guò)流斷面的流體數(shù)量。如數(shù)量以體積衡量稱為體積流量Q；單位為m3/s<CFM>；如數(shù)量用重量衡量稱為重量流量G,單位為Kg/s。二者的關(guān)系為：G=γQ斷面平均流速：由于流體的粘性,過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速分布不均勻,根據(jù)流量相等原則所確定的均勻流速稱為斷面平均流速。單位m/s<CFM>V＝Q/A1.3.2、濕周與水力半徑濕周：過(guò)流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長(zhǎng)度。用x表示,單位m。水力半徑：總流過(guò)過(guò)流斷面面積A與濕周x之比稱為水力半徑,應(yīng)符號(hào)R表示,單位M。1.3.3、恒定流連續(xù)性方程對(duì)不可壓縮流體：V1A1=V2A2.對(duì)可壓縮流體：ρ1V1A1=ρ1V2A21.3.4、恒定流能量方程對(duì)理想流體：Z＋p/γ+v2/2g=常數(shù)實(shí)際流體:由于粘性作為會(huì)引起流動(dòng)阻力,流體阻力與流體流動(dòng)方向相反作負(fù)功,使流體的總能量不斷衰減,每個(gè)斷面的Z＋p/y+v2/2g≠常數(shù),假設(shè)流體從斷面1到斷面2的能量損失為hw,則元流的能量方程式為：Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋hw1.3.5、流體流動(dòng)的阻力:由于流體的粘性和固體邊界的影響,使流體在流動(dòng)過(guò)程中受到阻力,這個(gè)阻力稱為流動(dòng)阻力,可分為沿程阻力和局部阻力兩種。沿程阻力：在邊界沿程不變的區(qū)域,流體沿全部流程的摩檫阻力。局部阻力：在邊界急劇變化的區(qū)域,如斷面突然擴(kuò)大或突然縮小、彎頭等局部位置,是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。1.3.6、層流、紊流與雷諾數(shù)層流：流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜,有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)。Re=Vde/ν<2300層流紊流：流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜,無(wú)規(guī)則的紊流運(yùn)動(dòng)。顯然層流狀態(tài)下只存在粘性引起的摩檫阻力,而紊流狀態(tài)下除摩檫阻力外還存在由于質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、混雜所造成的慣性阻力,因此紊流的阻力較層流阻力大的多。Re=Vde/ν<2300紊流1.3.7、管內(nèi)層流沿程阻力計(jì)算<達(dá)西公式>hf=λ<L/de><ρV2/2>λ－沿程阻力系數(shù),λ＝64/Re1.3.8、管內(nèi)紊流沿程阻力計(jì)算hf=λ<L/de><ρV2/2>λ＝f<Re,ε/d>,即紊流時(shí)沿程阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān),還與相對(duì)粗糟度ε有關(guān)。尼古拉茲采用人工粗糟管進(jìn)行試驗(yàn)得出了沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：紊流光滑區(qū)：4000<Re<105,λ采用布拉修斯公式計(jì)算：λ＝0.3164/Re0.251.3.9、非園管道沿程阻力的計(jì)算引入當(dāng)量水力半徑后所有園管的計(jì)算方法與公式均可適用非園管,只需把園管直徑換成當(dāng)量水力直徑。de=4A/x1.3.10、局部阻力hj＝ξρV2/2ξ－局部阻力系數(shù)突然擴(kuò)大：按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ1＝<1-A1/A2>按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ2＝<1-A2/A1>突然縮?。嚎蓮南嚓P(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。2、機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算密封機(jī)箱WT=1.86<Ss+4St/3+2Sb/2>Δt1.25+4σεTm3ΔT對(duì)通風(fēng)機(jī)箱WT=1.86<Ss+4St/3+2Sb/2>Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT對(duì)強(qiáng)迫通風(fēng)機(jī)箱WT=1.86<Ss+4St/3+2Sb/2>Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000QfΔT[案例]有一電子設(shè)備其總功耗為55W,其外形尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為400mm、300mm和250mm,外殼外表面的黑度為ε=0.96,外表面的溫度為35℃,周?chē)h(huán)境溫度為25℃,設(shè)備內(nèi)部的空氣允許溫度為40℃,設(shè)備的四個(gè)側(cè)面及頂面參與散熱,試進(jìn)行自然冷卻設(shè)計(jì)計(jì)算。解:密封機(jī)箱的最大散熱量QT=1.86<Ss+4St/3+2Sb/3>Δt1.25+4σεTm3F輻射Δt＝1.86<1.4×0.25+0.4×0.3×4/3>×101.25+4×5.67×10-8×0.96×<0.4×0.3+1.4×0.25>×3083×10=16.87+29.9=46.78W<Q=55W顯然,密封機(jī)箱不能夠滿足散熱要求,需開(kāi)通風(fēng)口。通風(fēng)機(jī)箱的通風(fēng)面積計(jì)算QT=1.86<Ss+4St/3+2Sb/2>Δt1.25+4σεTm3F輻射Δt+1000uSinΔt55＝1.86<1.4×0.25+0.4×0.3×4/3>×101.25+4×5.67×10-8×0.96××<0.4×0.3+1.4×0.25>×3083×10＋1000×0.1×Sin×10Sin=82.2cm3、自然冷卻時(shí)進(jìn)風(fēng)口面積的計(jì)算在機(jī)柜的前面板上開(kāi)各種形式的通風(fēng)孔或百葉窗,以增加空氣對(duì)流,進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計(jì)算：Sin=Q/<7.4×10-5H×Δt1.5>s-通風(fēng)口面積的大小,cm2Q-機(jī)柜內(nèi)總的散熱量,WH-機(jī)柜的高度,cm,約模塊高度的倍,Δt=t2-t1－內(nèi)部空氣t2與外部空氣溫度t1之差,℃出風(fēng)口面積為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5-2倍4、強(qiáng)迫風(fēng)冷出風(fēng)口面積的計(jì)算模塊有風(fēng)扇端的通風(fēng)面積:Sfan=0.785<φin2－φhub2>無(wú)風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=<1.1-1.5>Sfan系統(tǒng)在后面板<后門(mén)>上與模塊層對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)通風(fēng)口,通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為：S＝<1.5-2.0><N×S模塊>N---每層模塊的總數(shù)S模塊---每一個(gè)模塊的進(jìn)風(fēng)面積[案例]鐵道信號(hào)電源機(jī)柜模塊及系統(tǒng)均為自然冷卻,每層模塊的散熱量為360W,模塊的高度為7U,進(jìn)出口溫差按20℃計(jì)算,機(jī)柜實(shí)際寬度為680mm,試計(jì)算每層進(jìn)出風(fēng)口的面積？H按2倍模塊的高度計(jì)算,即H=2×7U=14U進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算：Sin=Q/<7.4×10-5×H×△t1.5>=360/<7.4×10-5×14×4.44×201.5>=875cm2進(jìn)風(fēng)口高度h機(jī)柜的寬度按B=680mm計(jì),則進(jìn)風(fēng)口的高度為：H=Sin/B=875/68=128.7mmb出風(fēng)口面積SoutSout=<1.5-2.0>Sin=2×875=1750cm25、實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法q`=Q/<0.335△T>q`---實(shí)際所需的風(fēng)量,M3/hQ----散熱量,W△T--空氣的溫升,℃,一般為10－15℃。確定風(fēng)扇的型號(hào)經(jīng)驗(yàn)公式：按照1.5-2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：q=<1.5-2>q`按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號(hào)。[案例]10KUPS主功率管部分的實(shí)際總損耗為800W,空氣溫升按15℃考慮,請(qǐng)選擇合適的風(fēng)扇。實(shí)際所須風(fēng)量為：q`=Q/<0.335△t>=800/<0.335×15>=159.2m3/h按照2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：q=2q`=2×159.2=318.4m3/h下表風(fēng)扇為可選型號(hào)6、型材散熱器的計(jì)算散熱器的熱阻散熱器的熱阻是從大的方面包括三個(gè)部分。 RSA=R對(duì)+R導(dǎo)+R輻R對(duì)=1/〔hcF1F1--對(duì)流換熱面積<m>,hc–對(duì)流換熱系數(shù)<w/m2.k>R輻--輻射換熱熱阻,對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷可忽略不計(jì)對(duì)自然冷卻R輻＝1/<4бεTm3>R導(dǎo)＝R基板＋R肋導(dǎo)＝δ/<λF2>+〔<1/η-1>R對(duì)流λ--導(dǎo)熱系數(shù),w/m.h.℃δ--散熱器基板厚度<m>η--肋效率系數(shù)F2--基板的導(dǎo)熱面積<m>F2=0.785*<d+δ>2d-發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑〔m>對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算自然對(duì)流垂直表面hcs=1.414<△t/L>0.25,w/m.k式中:△t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升,℃L--散熱表面的特征尺寸,取散熱表面的高,m水平表面,熱表面朝上hct=1.322<△t/L>0.25,w/m.k式中:△t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升,℃L--散熱表面的特征尺寸,取L＝2<長(zhǎng)×寬>/<長(zhǎng)＋寬>,m水平表面,熱表面朝下hcb=0.661<△t/L>0.25,w/m.k式中:△t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升,℃L--散熱表面的特征尺寸,取L＝2<長(zhǎng)×寬>/<長(zhǎng)＋寬>,m強(qiáng)迫對(duì)流層流Ref<105hc＝<1.1-1.4>λ空氣0.66Ref0.5/L湍流Ref>105hc＝<1.1-1.4>λ空氣0.032Ref0.8/L肋片效率對(duì)直齒肋：η=th<mb>/<mb>>m=<2hc/λδ0>δ0：肋片根部厚度<m>b.肋高<m>散熱器的流阻計(jì)算散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失△P＝hf+hj=λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2λf--沿程阻力系數(shù)L--流向長(zhǎng)度<m>de--當(dāng)量水利直徑<m>,de=4A流通/濕周長(zhǎng)V--斷面流速<m/s>沿程阻力系數(shù)計(jì)算λf層流區(qū)：Re=Vd/υ≤2300λf=64/Re紊統(tǒng)光滑區(qū)4000<Re<105λf=0.3164/Re0.25υ--運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)〔m2/s,從文獻(xiàn)中查找局面阻力系數(shù)ζ突然擴(kuò)大按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ1＝<1-A1A2>按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ2＝<1-A2/A1>突然縮小可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。[案例]散熱器DXC-616<天津鋁合金廠編號(hào)>,截面圖略,散熱器的截面積為77.78cm2,周長(zhǎng)為2.302m,單位長(zhǎng)度的重量為21KG/m。風(fēng)扇采用PAPST4656Z,風(fēng)扇功率19W,最大風(fēng)量為160m3/h,壓頭為70Pa。風(fēng)道阻力曲線的計(jì)算入口面積：Fin=0.785×D2=0.785×0.1192=0.01116m2流通面積：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2水力直徑：de＝4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m由于風(fēng)速較低,一般最大不會(huì)超過(guò)6m/s,雷諾數(shù)<2300,沿程阻力系數(shù)按下式計(jì)算：λ=64/Re＝64ν/Vde沿程阻力按下式計(jì)算：hf=λ<L/de><ρV2/2>=<64ν/Vde><L/de><ρV2/2>=<64×16.96×10-6×0.24/<V×0.00582>><ρV2/2>=<8.07/V><ρV2/2>局部阻力按下式計(jì)算：hj＝ξρV2/2對(duì)于突然縮小,A2/A1=0.003338/0.01116=0.3,查表得ξ＝0.38總阻力損失H=hf+hj=<0.38+8.07/V><ρV2/2>確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)10KVAUPS的選擇風(fēng)扇為PAPST4656Z,我們把風(fēng)道曲線與風(fēng)扇的曲線進(jìn)行疊加,其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn),給工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為5m/s,壓力為35Pa.散熱器的校核計(jì)算雷諾數(shù)Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104努謝爾特?cái)?shù)：Nuf=0.66Ref0.5=0.66<5.6604×104>0.5=157對(duì)流換熱系數(shù)：hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.km=<2hc/λδ>0.5=9.82ml=9.82×0.03=0.295,查得：η＝0.96該散熱器的最大散熱量為〔散熱器臺(tái)面溫升按最大40℃考慮>：Q＝hcF△tη=460.4W計(jì)算結(jié)果表明,散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。7、冷板的計(jì)算方法傳熱計(jì)算確定空氣流過(guò)冷板后的溫升：t=Q/qmCp確定定性溫度tf=<2ts+t1+t2>/4,冷板臺(tái)面溫度ts為假定值設(shè)定冷板的寬度為b,則通道的橫截面積為Ac,Ac=b×Ac0確定定性溫度下的物性參數(shù)<μ、Cp、ρ、Pr>。流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù)G=qm/AfRe=deG/μ根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)<層流或紊流>,Re<1800,層流,Re>105,湍流根據(jù)流體的狀態(tài)<層流或紊流>計(jì)算考爾本數(shù)JRe<1800,層流J=6/Re0.98Re>105,湍流J=0.023/Re0.2也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z27-92圖12－18查得計(jì)算冷板的換熱系數(shù)：h=JGCpPr2/3計(jì)算肋片的效率m=<2h/λδ>0.5,ηf=th<ml>/ml〔也可以根據(jù)ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率>計(jì)算冷板的總效率：忽略蓋板及底版的效率,總效率為：A＝At+Ar＋Ab,η0＝1－Ar<1-ηf>/A計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU＝hη0A/qmCp計(jì)算冷板散熱器的臺(tái)面溫度ts=<eNTUt2-t1>/<eNTU-1>流體流動(dòng)阻力計(jì)算計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比σ=Af/Ac查空氣進(jìn)入冷板時(shí)入口的損失系數(shù)Kc=f<Re,σ>：根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z27-92圖12－16及圖12－16查得查摩擦系數(shù)f=f<Re,σ>：根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z27-92圖12－18查得計(jì)算流動(dòng)阻力△P＝G2[<Kc+1-σ2>+2<ρ2/ρ1-1>+fρ1A/<Afρm>-<1-σ2-Ke>ρ1/ρ2]/<2ρ1>判斷準(zhǔn)則確定是否滿足ts<[ts],如果不滿足,需增大換熱面積或增大空氣流量。確定是否滿足△P<[△P],如果不滿足,需減小冷板的阻力<如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等>或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇[案例]10KVAUPS冷板散熱器,器件的損耗為870.5W,要求冷板散熱器臺(tái)面溫升小于30℃<在40℃的環(huán)境溫度下>。冷板散熱器的截面圖略梯形小通道面積：Ai=<3.8+2.6>×9.5/2=30.4mm2每排有29個(gè)梯形小通道,共22排,n=29×22=638個(gè)基板厚度為：9mm總的流通面積Af=30.4×29×22=0.0193952m2冷板的橫截面積Ac=120×120×2=0.0288m2水力半徑：de=4Afi/х=4×30.4/<2×9.5+3.8+2.6>=4.787mm確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)Re=deG/μ=deqm/μAf在40℃空氣的物性參數(shù)為：μ＝19.1×10-6kg/m.s,ρ１＝1.12kg/m3Re=<4.787×10-3×1.12×0.30483qm1/<60×19.1×10-6×0.0193952>=6.831qm1<qm1的單位為：CFM>σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673先忽略空氣密度的變化,不同流量的流阻計(jì)算如下表所示:2O>,工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s?？諝饬鬟^(guò)冷板后的溫升空氣口溫度為40℃,ρ１＝1.12kg/m3,Cp=1005.7J/kg.℃μ=19.1×10-6kg/m.s,Pr=0.699質(zhì)量流量qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s△t=Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63℃定性溫度：tf=<2ts+t1+t2>=<2×80+40+49.63>/4=62.4℃按定性溫度查物性得：ρ１＝1.06kg/m3,Cp=1005.7J/kg.℃μ=20.1×10-6kg/m.s,Pr=0.696換熱系數(shù)質(zhì)量流速G=qm/Af=4.14×1.12=4.64kg/m2.s雷諾數(shù)Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/<20.1×10-6>=1105.1層流J=6/Re0.98=6/1105.10.98=6.25×10-3h=JGCpPr-2/3=6.25×10-3×4.64×1005.7×0.696-2/3=37.14W/m2.℃肋片效率m=<2h/λδ>0.5=<2×37.14/<180×0.001>>0.5=20.3ml=20.3×0.11=2.23ηf=th<ml>/ml=th<2.23>/2.23=0.433傳熱單元數(shù)：NTU＝hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241=0.5772冷板的表面溫度：Ts=<eNTUt2-t1>/<eNTU-1>=61.9℃<70℃冷板設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。元器件的工作結(jié)溫計(jì)算如果已知道散熱器臺(tái)面溫度Ts,則器件的工作結(jié)溫為：Tj=Ts+PT×Rth<j-s>Rth<j-s>=Rjc+Rcs+RbRth<j-s>－器件結(jié)到散熱器的熱阻,℃/W。Rjc－器件結(jié)殼熱阻,℃/W,從器件使用手冊(cè)中查得Rcs--殼到散熱器的熱阻,即接觸熱阻,℃/W,可根據(jù)從器件使用手冊(cè)中查得的值乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)得到。Rb-絕緣墊片的熱阻,℃/W,可絕緣墊片的數(shù)據(jù)資料中查得,無(wú)絕緣墊片時(shí)該項(xiàng)熱阻為零。如果已知散熱器的熱阻,環(huán)境溫度,則器件的工作結(jié)溫為：Tj=Ta+PT×Rth<j-a>Rth<j-a>=Rsa+Rjc+Rcs+RbRth<j-a>－器件結(jié)到環(huán)境的熱阻,℃/W。Rsa－散熱器熱阻,℃/W[案例1]30A模塊中,輸出二極管處散熱器的臺(tái)面溫度為94.6℃,二極管的最大結(jié)溫為175℃,結(jié)殼熱阻為0.45℃/W,接觸熱阻為0.15℃/W,絕緣墊片的熱阻為0.3℃/W,計(jì)算二極管的工作結(jié)溫。Rjs=Rjc+Rcs＋Rb=0.45+0.15+0.3=0.9℃/wTj=Ts+Pd×Rjs=94.6+44.2×0.9=134.4℃[案例2]如把[案例1]中的二極管在一散熱器中央,散熱器的熱阻為0.8℃/w,環(huán)境溫度為40℃。Rjs=Rsa+Rjc+Rcs＋Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/wTj=Ta+PT×Rth<j-a>.＝40＋44.2×1.7=115.2℃風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法9.1、風(fēng)扇定律Basic<corrected>fanlawsBasic<corrected>fanlaws

WhenfanspeedchangesWhenairdensitychangesAirflowCFM2=CFM1<RPM2/RPM1>WRONG!CFM2=CFM1<density2/density1>WRONG!

MASSFLOW2=MASSFLOW1<density2/density1>PressureP2=P1<RPM2/RPM1>2P2=P1<density2/density1>PowerHP2=HP1<RPM2/RPM1>3HP2=HP1<density2/density1>NoiseN2=N1+50log10<RPM2/RPM1>N2=N1+20log10<density2/density1>9.2、風(fēng)扇的噪音問(wèn)題風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音與風(fēng)扇的工作點(diǎn)或風(fēng)量有直接關(guān)系,對(duì)于軸流風(fēng)扇在大風(fēng)量,低風(fēng)壓的區(qū)域噪音最小,對(duì)于離心風(fēng)機(jī)在高風(fēng)壓,低風(fēng)量的區(qū)域噪音最小,這和風(fēng)扇的最佳工作區(qū)是吻合的。注意不要讓風(fēng)扇工作在高噪音區(qū)。風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口受阻擋所產(chǎn)生的噪音比其出風(fēng)口受阻擋產(chǎn)生的噪音大好幾倍,所以一般應(yīng)保證風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口離阻擋物至少30mm的距離,以免產(chǎn)生額外的噪音。對(duì)于風(fēng)扇冷卻的機(jī)柜,在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房?jī)?nèi)噪音不得超過(guò)55dB,在普通民房?jī)?nèi)不得超過(guò)65dB。對(duì)于不得不采用大風(fēng)量,高風(fēng)壓風(fēng)扇從而產(chǎn)生較大噪音的情況,可以在機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、前后門(mén)內(nèi)側(cè)、風(fēng)扇框面板、側(cè)板等處在不影響進(jìn)風(fēng)的條件下貼吸音材料,吸音效果較好的材料主要是多孔介質(zhì),如玻璃棉,厚度越厚越好。有時(shí)由于沒(méi)有合適的風(fēng)機(jī)而選擇了轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)機(jī),在保證設(shè)計(jì)風(fēng)量的條件下,可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的電壓或其他方式降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,從而降低風(fēng)扇的噪音。相應(yīng)的噪音降低變化按下式計(jì)算：N2=N1+50log10<RPM2/RPM1>[案例]：一電源模塊采用一個(gè)軸流風(fēng)扇進(jìn)行冷卻,為了有效抑止噪音,要求風(fēng)扇只有在監(jiān)控點(diǎn)的溫度高于85℃才全速運(yùn)轉(zhuǎn),其余情況風(fēng)扇必須半速運(yùn)轉(zhuǎn)。已知風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速為2000RMP,噪音為40db,求在半速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇的噪音為多少？如果已知全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇的工作點(diǎn)為2O>,試求風(fēng)扇在半速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作點(diǎn)。解：根據(jù)風(fēng)扇定律N2=N1+50log10<RPM2/RPM1>＝40＋50log10<1000/2000>＝24.9dbP2=P1<RPM2/RPM1>2＝0.3<1000/2000>2=0.075IN.H2OCFM2=CFM1<RPM2/RPM1>＝50<1000/2000>=25CFM海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策海拔高度對(duì)自然冷卻條件的熱設(shè)計(jì)要求對(duì)于自然對(duì)流,其傳熱機(jī)理是由于冷卻空氣吸熱后其密度減小,迫使重力場(chǎng)中的空氣上升而形成冷熱空氣的對(duì)流而產(chǎn)生熱量傳遞。由于隨著海拔高度的增加,空氣的密度逐漸減小,空氣上升的能力也就減少,自然對(duì)流換熱的能力減弱。自然對(duì)流換熱能力的變化最終體現(xiàn)在對(duì)流換熱系數(shù)的變化上,根據(jù)美國(guó)斯坦伯格的經(jīng)驗(yàn)公式,如果忽略空氣溫度的變化,可按下式計(jì)算海拔高度對(duì)自然對(duì)流的影響強(qiáng)弱。hc<高空>＝hc<海平面><ρ高空/ρ海平面>0.5=hc<海平面><p高空/p海平面>0.5hc<高空>,hc<海平面>－分別為高空及海平面的自然對(duì)流換熱系數(shù),W/m.kρ高空,ρ海平面－分別為高空及海平面的空氣密度,Kg/m3p高空,p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力,帕斯卡海拔高度對(duì)強(qiáng)迫冷卻條件的熱設(shè)計(jì)要求海拔高度對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷影響的機(jī)理是由于隨著海拔高度的增加,空氣密度減小,質(zhì)量流速減小,空氣分子間碰撞的概率降低,對(duì)流換熱能力減弱。同樣,強(qiáng)迫對(duì)流換熱隨海拔高度的變化最終體現(xiàn)在對(duì)流換熱系數(shù)的變化上,美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,低于5000米以下的高空,如果忽略空氣溫度的變化,可按下式計(jì)算海拔高度對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱影響的強(qiáng)弱。層流：hc<高空>＝hc<海平面><ρ高空/ρ海平面>0.5湍流：hc<高空>＝hc<海平面><ρ高空/ρ海平面>0.8hc<高空>,hc<海平面>－分別為高空及海平面的強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流換熱系數(shù),W/m.kp高空,p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力,帕斯卡自然對(duì)流時(shí)的解決對(duì)策預(yù)先計(jì)算出海拔高度對(duì)自然對(duì)流換熱系數(shù)的影響大小,通過(guò)增加相應(yīng)的對(duì)流換熱面積來(lái)彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱,按下式計(jì)算：F對(duì)流<高空>＝F對(duì)流<海平面>/<ρ高空/ρ海平面>0.5強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的解決對(duì)策增大面積法預(yù)先計(jì)算出海拔高度對(duì)自然對(duì)流換熱系數(shù)的影響大小,通過(guò)增加相應(yīng)的對(duì)流換熱面積來(lái)彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱,按下式計(jì)算：F對(duì)流<高空>＝F對(duì)流<海平面>/<ρ高空/ρ海平面>0.5提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速RPM2/RPM1＝ρ海平面/ρ高空熱仿真技術(shù)1、為什么要進(jìn)行熱仿真分析提高產(chǎn)品的性能及可靠性。更快地將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。降低設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和重復(fù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的費(fèi)用。減少試驗(yàn)和測(cè)量的次數(shù)2、仿真分析技術(shù)及軟件介紹電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件是基于計(jì)算傳熱學(xué)技術(shù)〔NTS和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)〔CFD發(fā)展電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)輔助分析軟件,它可以幫助熱設(shè)計(jì)工程師驗(yàn)證、優(yōu)化熱設(shè)計(jì)方案,滿足產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的需要,并可以顯著降低產(chǎn)品驗(yàn)證熱測(cè)試的工作量。目前商業(yè)的熱設(shè)計(jì)軟件種類(lèi)繁多,有基于有限體積法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、Tas－Harvardthermal、Coolit、Betasoft,及基于有限元的Ansys等,其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占據(jù)大部分的市場(chǎng)份額。Ansys軟件是由美國(guó)Ansys公司推出的多物理場(chǎng)有限元仿真分析軟件,涉及結(jié)構(gòu)、熱、計(jì)算流體力學(xué)、聲、電磁等學(xué)科,能夠有效地進(jìn)行各種場(chǎng)的線性和非線性計(jì)算及多種物理場(chǎng)相互影響的耦合分析。Structure是該軟件面向結(jié)構(gòu)分析研究的專用模塊。Flortran是該軟件面向流場(chǎng)分析研究的專用模塊。Thermal是其中面向熱設(shè)計(jì)研究的專用模塊。Flotherm是英國(guó)的FLOMERICS公司開(kāi)發(fā)的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件,其最顯著的特點(diǎn)是針對(duì)電子設(shè)備的組成結(jié)構(gòu),提供的熱設(shè)計(jì)組件模型,根據(jù)這些組件模型可以快速的建立機(jī)柜、插框、單板、芯片、風(fēng)扇、散熱器等電子設(shè)備的各組成部分。Flotherm軟件基本上可以分為前處理、求解器和后處理三個(gè)部分。前處理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate。ProjectManager用于項(xiàng)目管理、物性參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)、計(jì)算參數(shù)的設(shè)定等；DrawingBoard提供了一個(gè)可視化的建立機(jī)柜、插框、單板、芯片幾何模型的界面和計(jì)算網(wǎng)格劃分工具。通過(guò)在ProjectManager和DrawingBoard中的互動(dòng)操作,就可以完成具體的建模工作。Flogate是一個(gè)數(shù)據(jù)接口模塊,它可以把單板的裝配圖文件〔IDF格式導(dǎo)入Flotherm,直接完成單板的建模設(shè)計(jì)。求解器是Flosolve模塊,它可以完成模型的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算。后處理部分包括Visulation、Flomotion和Table,Visulation完成仿真計(jì)算結(jié)果的可視化顯示；Flomotion除了也可以實(shí)現(xiàn)可視化顯示外,還可以制作流場(chǎng)的動(dòng)畫(huà)顯示；熱分析模型的大量計(jì)算數(shù)據(jù)如某區(qū)域的平均溫度、空氣流量等可以通過(guò)Table模塊查詢。ICEPAK是全球CFD的領(lǐng)導(dǎo)者FLUENT公司通過(guò)集成ICEMCFD公司的網(wǎng)格劃分及后處理技術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的針對(duì)電子設(shè)備冷卻分析的專用熱設(shè)計(jì)軟件。具有如下優(yōu)點(diǎn)：=1\*GB3①建模能力：除了有矩形,圓形模型外,還有多種復(fù)雜形狀模型,如橢球體、多面體、管道、斜板等模型；有thin-conduction薄板模型。=2\*GB3②網(wǎng)格技術(shù)：有結(jié)構(gòu)化,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；有四面體網(wǎng)格；有四面體、六面體混合網(wǎng)格；能夠?qū)?fù)雜模型快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格；支持結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的non-conformal網(wǎng)格。=3\*GB3③求解器：Fluent求解器能夠求解多種流體介質(zhì)問(wèn)題；能夠求解結(jié)構(gòu)化,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問(wèn)題；支持網(wǎng)絡(luò)并行。3、仿真分析技術(shù)軟件在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的作用對(duì)產(chǎn)品的溫度場(chǎng)作出預(yù)測(cè),使我們?cè)谶M(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)關(guān)注熱點(diǎn)區(qū)域。進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣分析,得出最佳的設(shè)計(jì)方案。對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化,最大限度的提高散熱效率。任何先進(jìn)的仿真軟件已永遠(yuǎn)無(wú)法代替人,軟件只是熱設(shè)計(jì)人員所利用的工具之一。所以仿真軟件結(jié)果的可靠性決定于熱設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)及理論水平。4、傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法與仿真分析方法的比較在操作流程上面的差異傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法利用設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)確定出設(shè)計(jì)方案,然后利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算,在通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。仿真分析軟件可以同時(shí)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析比較,并能夠確定出最佳的設(shè)計(jì)方案。如果軟件使用者具有足夠的熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),則完全可以省略試驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)節(jié)。從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期的目的。優(yōu)缺點(diǎn)比較對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴度設(shè)計(jì)周期熱設(shè)計(jì)一次成功率熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法完全短低低,裕量大低仿真分析方法強(qiáng)長(zhǎng)高高,裕量適中高熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)1、電源模塊的熱設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)一次電源模塊的熱設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)隨著電源模塊功率密度的升高,熱設(shè)計(jì)已逐漸成為瓶頸問(wèn)題。傳統(tǒng)的集中散熱的方式<所有的功率管全部集中在一個(gè)散熱器上>無(wú)法滿足模塊體積逐步減小的要求。分散式散熱成為解決這一難題的主要技術(shù)。二次電源模塊熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)二次電源模塊正朝著高效率、超輕、超薄、高功率密度的方向發(fā)展。以O(shè)PENFRAME結(jié)構(gòu)為代表的新一代模塊,通過(guò)電路技術(shù)上的改進(jìn),提高了模塊的工作效率,降低了模塊的熱損耗,同時(shí)功率器件及PCB耐溫等級(jí)的提高,使得模塊可以省掉金屬或陶瓷底板,進(jìn)而省掉了笨重的散熱器,有效的節(jié)省了系統(tǒng)的可見(jiàn),同時(shí)提高了模塊抗震動(dòng)的能力。2、大功率UPS及變頻器熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)大功率UPS及變頻器由于其熱損耗較大,往往需要較大的散熱器。如何有效的提高散熱器的傳熱效率成為引導(dǎo)該類(lèi)產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)發(fā)展的原動(dòng)力。由于傳統(tǒng)的型材散熱器傳熱效率最低,而以鏟齒散熱器/針裝散熱器/釬焊/插片成型散熱器為代表的新的散熱器成型方式將逐步取代傳統(tǒng)笨重的型材散熱器。熱管技術(shù)由于其傳熱溫差小,傳熱效率高已在電子設(shè)備上逐步獲得應(yīng)用。應(yīng)用熱管技術(shù)可以有效減小散熱器的體積,減小傳導(dǎo)熱阻。MaterialMaterialEffectiveThermalConductivityHeatPipes150,000-200,000W/m°CAluminum180W/m°CCopper386W/m°CDiamond2,000W/m°C3、分散式散熱技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以自由根據(jù)各部分的損耗大小來(lái)設(shè)計(jì)散熱器,從而保證散熱器的最佳化。散熱器可以自由置于最有利的通風(fēng)位置,從而提高散熱器的散熱效率?？梢宰畲笙薅鹊陌l(fā)揮風(fēng)扇的作用,提高了風(fēng)扇的利用率。由于散熱器分散,部分區(qū)域的功率管可以省掉導(dǎo)熱絕緣膜。產(chǎn)品的功率密度可以達(dá)到很高。劣勢(shì)由于各部分散熱器已達(dá)到最佳化,散熱器抗熱沖擊能力會(huì)減弱,應(yīng)引起特別關(guān)注?；纠砟?、熱管技術(shù)4.1什么叫熱管熱管是一種具有高效導(dǎo)熱性能的傳熱器件。它能夠在熱源與散熱片間以較小的溫差實(shí)現(xiàn)熱傳遞,也可以在散熱器基板表面實(shí)現(xiàn)等溫以提高散熱器的效率。4.2熱管的發(fā)展史1942年前：簡(jiǎn)單的二相熱虹吸管J.Perkins及他的孫子L.P.Perkins發(fā)明并改進(jìn)了"Perkinstube"即熱虹吸管——簡(jiǎn)單的重力熱管。1960~1970年：發(fā)明熱管并成功應(yīng)用于航天事業(yè)1942~1944年,R.S.Gaugler提出了現(xiàn)代熱管的原理,但未實(shí)際應(yīng)用；1963年,G.M.Grover再次提出了這一原理,