1、2020/8/21,1,產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法,2,介紹,為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)？ 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。,3,介紹,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)

2、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。 在本次講座中將學(xué)到那些內(nèi)容 風(fēng)路的布局方法、產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法、風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法、海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策、熱仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。,4,概述,風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法 ：通過(guò)典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。 產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法 ：通過(guò)實(shí)例分析，了解散熱器的校核計(jì)算方法、風(fēng)量的計(jì)算方法、通風(fēng)口的大小的計(jì)算方法。 風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法：了解風(fēng)扇的基本定律及應(yīng)用；了解噪音的評(píng)估方法。 海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策：了解

3、海拔高度對(duì)風(fēng)扇性能的影響、海拔高度對(duì)散熱器及元器件的影響，了解在熱設(shè)計(jì)如何考慮海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的影響。 熱仿真技術(shù)：了解熱仿真的目的、要求，常用熱仿真軟件介紹。 熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)：了解最新散熱技術(shù)、了解新材料。,5,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 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)

4、開(kāi)通風(fēng)口。,6,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)案例,7,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式,8,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 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)

5、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；,9,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 典型結(jié)構(gòu),10,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式,11,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式,12,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,自然對(duì)流換熱 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,13,熱設(shè)計(jì)的基

6、礎(chǔ)理論,自然對(duì)流換熱 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) 夾層厚度與高度之比/h0.3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=(Bgt 3)/32000時(shí)，通過(guò)夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過(guò)程計(jì)算。,14,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,自然對(duì)流換熱 有限空間的自然對(duì)流換熱 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

7、下，對(duì)氣體Gr.Pr1700,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(/h)n 定型尺寸為厚度，定性溫度為冷熱壁面的平均溫度Tm=(tw1+tw2 ),15,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,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/d50則可忽略入口效應(yīng)，

8、實(shí)際上多屬于此類情況。 管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)則式： Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式： twtf Nu=0.023Re0.8 Pr0.4. twtf Nu=0.023Re0.8 Pr0.3,16,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 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=Q 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

9、m/s(CFM) VQ/A 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。 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 ： 1V1A1=1V2A2,17,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 恒定流能量方程 對(duì)理想流體：Zp/+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Zp/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： Z1p1/+v12

10、/2gZ2p2/+v22/2ghw,18,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 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。 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/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

11、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/2300 紊流,19,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 管內(nèi)層流沿程阻力計(jì)算(達(dá)西公式) hf=(L/de)(V2/2) 沿程阻力系數(shù)，64/Re 管內(nèi)紊流沿程阻力計(jì)算 hf=(L/de)(V2/2) f(Re，/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)：4000Re105, 采用布拉修斯公式計(jì)算： 0.3164/Re 0.25,20,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 非園管道沿程阻力的計(jì)算 引入當(dāng)量水力半徑后所有

12、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/x 局部阻力 hjV2/2 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)：1(1-A1/A2) 按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：2(1-A2/A1) 突然縮?。?可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。,21,散熱器的設(shè)計(jì)方法,散熱器冷卻方式的判據(jù) 對(duì)通風(fēng)條件較好的場(chǎng)合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。 對(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。 散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的判據(jù) 對(duì)通風(fēng)條件較好的場(chǎng)合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而

13、小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。 對(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)合： 散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。,22,散熱器的設(shè)計(jì)方法,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:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。 2: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:進(jìn)行校核計(jì)算。,23,散熱器的設(shè)計(jì)方法,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

14、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。,24,散熱器的設(shè)計(jì)方法,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，

15、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。,25,散熱器的設(shè)計(jì)方法,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,26,散熱器的設(shè)計(jì)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,27,散熱器的設(shè)計(jì)方法,不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較,28,散熱器的設(shè)計(jì)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,29,散熱器的設(shè)計(jì)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)的應(yīng)用,30,散熱器

16、的設(shè)計(jì)方法,散熱器的基板的優(yōu)化方法,31,散熱器的設(shè)計(jì)方法,不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法,32,散熱器的設(shè)計(jì)方法,不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法,33,散熱器的設(shè)計(jì)方法,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,34,散熱器的設(shè)計(jì)方法,輻射換熱的考慮原則 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)。 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)。 如果物體表面的溫度低于50， 可不考慮輻射換熱的影響。 輻射換

17、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，如圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見(jiàn)。,35,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷卻方式的選擇方法 確定冷卻方法的原則 在所有的冷卻方法中應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻，只有在自然冷卻無(wú)法滿足散熱要求時(shí)，才考慮其它冷卻。 冷卻方式的選擇方法1:根據(jù)溫升在40條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來(lái)確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。,36,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷卻方式的選擇方法 冷卻方式的選擇方法2:根據(jù)熱流密度與溫升要求，按圖2所示關(guān)系曲線選擇，此方法適應(yīng)于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻,37,熱設(shè)計(jì)

18、的計(jì)算方法,冷卻方式的選擇方法 冷卻方式的選擇方法案例 某電子設(shè)備的功耗為300W，機(jī)殼的幾何尺寸為248381432mm，在正常大氣壓下，若設(shè)備的允許溫升為40，試問(wèn)采用那種冷卻方法比較合理？ 計(jì)算熱流密度： q=300/2(2.482.2.48+2.484.32+2.2.814.32)=0.04W/cm2 根據(jù)圖2查得，當(dāng)t=40，q=0.04W/cm2時(shí)，其交點(diǎn)正好落在自然冷卻范圍內(nèi)，所有采用自然冷卻方法就可以滿足要求。 若設(shè)備的溫升有嚴(yán)格限制，假設(shè)只允許10，由圖2可以看出，需強(qiáng)迫風(fēng)冷才能滿足要求。,38,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,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)t 1.25+4Tm3T 對(duì)通風(fēng)機(jī)箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T+1000uAT 對(duì)強(qiáng)迫通風(fēng)機(jī)箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T+ 1000QfT,39,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算 案例有一電子設(shè)備其總功耗為55W，其外