風(fēng)冷散熱的設(shè)計(jì)及計(jì)算

1、 風(fēng)冷散熱的設(shè)計(jì)及計(jì)算 風(fēng)冷散熱原理： 散熱片的核心是同散熱片底座緊密接觸的，因此芯片表面發(fā)出的熱量就會(huì)通過熱傳導(dǎo)傳到散熱片上，再由風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的氣流將熱量“吹走”，如此循環(huán)，便是處理器散熱的簡(jiǎn)單過程。 散熱片材料的比較： 現(xiàn)在市面上的散熱風(fēng)扇所使用的散熱片材料一般都是鋁合金，只有極少數(shù)是使用其他材料。學(xué)過物理的人應(yīng)該都知道鋁導(dǎo)熱性并不是最好的，從效果來看最好的應(yīng)該是銀，接下來是純銅，緊接著才會(huì)是鋁。但是前兩種材料的價(jià)格比較貴，如果用來作散熱片成本不好控制。使用鋁業(yè)也有很多優(yōu)點(diǎn)，比如重量比較輕，可塑性比較好。因此兼顧導(dǎo)熱性和其他方面使用鋁就成為了主要的散熱材料。不過我們使用的散熱片沒有百分之

2、百純鋁的產(chǎn)品，因?yàn)榧冧X太過柔軟，如果想做成散熱片一般都會(huì)加入少量的其他金屬，成為鋁合金(得到更好的硬度)。 風(fēng)扇： 單是有了一個(gè)好的散熱片，而不加風(fēng)扇，就算表面積再大，也沒有用！因?yàn)闊o法同空氣進(jìn)行完全的流通，散熱效果肯定會(huì)大打折扣。從這個(gè)來看，風(fēng)扇的效果有時(shí)甚至比散熱片還重要。假如沒有好的風(fēng)扇，則散熱片表面積大的特點(diǎn)便無法充分展現(xiàn)出來。挑選風(fēng)扇的宗旨就是，風(fēng)扇吹出來的風(fēng)越強(qiáng)勁越好。風(fēng)扇吹出來的風(fēng)力越強(qiáng)，空氣流動(dòng)的速度越快，散熱效果同樣也就越好。要判斷風(fēng)扇是否夠強(qiáng)勁，轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要的依據(jù)。轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)就越強(qiáng)，簡(jiǎn)單看功率的大小。 軸承： 市面上用的軸承一般有兩種，滾珠軸承和含油軸承，滾珠軸承比含油

3、軸承好，聲音小、壽命長(zhǎng)。但是滾珠軸承的設(shè)計(jì)比較難，其中一個(gè)工藝是 預(yù)壓，是指將滾珠固定到軸承套中的過程，這要求滾珠與軸承套表面結(jié)合緊密，沒有間隙，以使鋼珠磨損度最小。通常在國內(nèi)廠家軸承制造中，預(yù)壓前上下軸承套是正對(duì)的，因?yàn)殇撝槌叽缗c軸承套尺寸肯定會(huì)存在一定誤差，所以在預(yù)壓受力后，滾珠同軸承套之間總有510微米的間隙，就是這個(gè)間隙，使得軸承的老化磨損程度大大增加，使用壽命縮短。同樣過程，在NSK公司的軸承制造中，預(yù)壓時(shí)上下軸承套 的會(huì)有一個(gè)5微米左右的相對(duì)距離，這樣軸承套在受壓后就會(huì)緊緊的卡住滾珠，使其間的間隙減小為零，在風(fēng)扇工作中，滾珠就不會(huì)有跳動(dòng)，從而使磨損降至最小，保證風(fēng)扇暢通且長(zhǎng)久高速運(yùn)

4、轉(zhuǎn)。 強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì) 當(dāng)自然風(fēng)冷不能解決問題時(shí)，需要用強(qiáng)迫空氣冷卻，即強(qiáng)迫風(fēng)冷。強(qiáng)迫風(fēng)冷是利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)或抽風(fēng)，提高設(shè)備的空氣流動(dòng)速度，達(dá)到散熱目的。強(qiáng)迫風(fēng)冷在中大功率的電子設(shè)備中應(yīng)用廣泛，因?yàn)樗哂斜茸匀伙L(fēng)冷多幾倍的熱轉(zhuǎn)移能力。與其他形勢(shì)強(qiáng)迫風(fēng)冷比較有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。 整機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷有兩種形式：鼓風(fēng)冷卻和抽風(fēng)冷卻。 鼓風(fēng)冷卻特點(diǎn)是風(fēng)壓大，風(fēng)量集中。適用于單元內(nèi)熱量分布不均勻，風(fēng)阻較大而元器件較多的情況。當(dāng)單元內(nèi)風(fēng)阻較大，需要單獨(dú)冷卻的元件和熱敏元件較多，且各單元間熱損相差有較大時(shí)，建議用鳳管冷卻，以便控制各單元風(fēng)量的需要。當(dāng)旨在機(jī)柜底層具有風(fēng)阻較大元件，中上層五熱敏元件的情況

5、下，建議用無風(fēng)管形式來降低成本。 抽風(fēng)冷卻特點(diǎn)是風(fēng)量大，風(fēng)壓小，風(fēng)量分布比較均勻，在強(qiáng)迫風(fēng)冷中應(yīng)用更廣泛。他也可分為有管道和無管道兩種情況。 對(duì)無管道的機(jī)框抽風(fēng)，整個(gè)機(jī)框相當(dāng)于一個(gè)大風(fēng)管，要求機(jī)柜四周密封好，側(cè)壁也不應(yīng)開空，只允許有進(jìn)出風(fēng)口，考慮熱空氣上升，抽風(fēng)機(jī)常裝在機(jī)框上部或頂部，出風(fēng)口面對(duì)大氣，進(jìn)風(fēng)口裝在機(jī)柜底部，這種無管道風(fēng)冷方式常用于機(jī)柜內(nèi)各元件冷卻表面風(fēng)阻較小的設(shè)備。對(duì)于在氣流上升部位又熱敏元件或不耐熱元件則要必須用風(fēng)管使氣流弊開，并沿需要的方向流動(dòng)，其進(jìn)風(fēng)口通常在機(jī)框側(cè)面，出風(fēng)口在機(jī)柜頂部。 對(duì)某些發(fā)熱較大的功率管，整流管等器件可以單獨(dú)風(fēng)冷或用管道風(fēng)冷。 由于在強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)灰塵，油

6、霧，水蒸氣和煙等會(huì)被氣流帶進(jìn)設(shè)備而滋生內(nèi)部污染，以及如何提高制冷效果等，因此，在進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本要求； 1.強(qiáng)迫空氣的流動(dòng)方向應(yīng)于自然對(duì)流空氣的流動(dòng)方向盡量一致。 2.在氣流通道上，應(yīng)盡量減小阻力，并避免大型元器件阻塞奇六。要將氣流合理分配給給單元和元器件。 3.要合理排列元器件，應(yīng)盡可能把不發(fā)熱與發(fā)熱小的和耐熱性能低的及熱敏的元件排在冷空氣的上游（靠近進(jìn)風(fēng)口），其余元件盡量按他們的溫度高低以遞增的順序排列，對(duì)那些發(fā)熱量大而導(dǎo)熱性差的器件必須暴露在冷卻空氣中，必要 時(shí)進(jìn)行單獨(dú)冷卻。 4.在不影響電性能的前提下，將發(fā)熱量大的元器件集中在一起排列，并與其他元器件熱絕緣，這樣可以減

7、少風(fēng)量，風(fēng)壓，而減少風(fēng)機(jī)功率。 5.贈(zèng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的近 出風(fēng)口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，要避免氣流短路，且入口空氣溫度與出口溫度之差一般不要超過14度。 6.用于冷卻電子設(shè)備內(nèi)部元器件的空氣，必須經(jīng)過過濾，要安裝防塵口。 7.在濕熱環(huán)境下，為避免潮濕空氣對(duì)元器件直接影響，可采用空芯印制板組裝結(jié)構(gòu)。 8.為保證通風(fēng)系統(tǒng)安全可靠工作，必要時(shí)要在冷卻系統(tǒng)中社控制保護(hù)裝置。 9.應(yīng)盡量減少強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)的氣流噪聲和風(fēng)機(jī)的噪聲。 10.通風(fēng)孔應(yīng)滿足電磁兼容性及安全性要求。 11.在一些大型電子設(shè)備中為提高電子線路對(duì)電磁干擾的屏蔽能力常將多塊印制板在一個(gè)用金屬板構(gòu)成的密封小盒內(nèi)，讓元件產(chǎn)生的熱量通過盒內(nèi)的對(duì)流，傳導(dǎo)，和輻射

8、傳給盒壁，再有盒壁傳給冷卻空氣把熱量散掉。 12.當(dāng)機(jī)柜或機(jī)箱內(nèi)有多塊印制板平行排列時(shí)，印制板的間距不宜相差太大，否則，氣流將直接從間距大的地方流過，而降低對(duì)其印制板的冷卻效果。 13.再強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻的設(shè)計(jì)中，正確選擇風(fēng)機(jī)很重要。風(fēng)機(jī)有離心式和軸流式，其中離心式風(fēng)機(jī)特點(diǎn)是風(fēng)壓高，風(fēng)量集中，風(fēng)量?。惠S流式風(fēng)機(jī)是風(fēng)壓小，風(fēng)量大。選擇風(fēng)機(jī)時(shí)要根據(jù)空氣流量，風(fēng)壓大小，風(fēng)道的阻力特性，體積，重量和噪聲等等進(jìn)行綜合分析。 有關(guān)強(qiáng)迫風(fēng)冷方面的一些看法： 1、風(fēng)機(jī)的先擇：選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮的因素包括：風(fēng)量，風(fēng)壓，效率，空氣流速，系統(tǒng)或風(fēng)道的阻力特性，應(yīng)用環(huán)境條件，噪聲，以及體積，重量等，其中風(fēng)量和風(fēng)壓是主要參

9、數(shù)，要求風(fēng)量大，風(fēng)壓低的設(shè)備，盡量采用軸流式風(fēng)機(jī)，(反之，則選用離心式風(fēng)機(jī))；所選風(fēng)機(jī)的風(fēng)量或風(fēng)壓不能滿足要求時(shí)，可以采用串聯(lián)或并聯(lián)的方式來滿足要求。 2、風(fēng)機(jī)的安裝：A, 外殼進(jìn)風(fēng)孔（或出風(fēng)孔）的總面積要不小于風(fēng)機(jī)總的通風(fēng)面積；B, 風(fēng)機(jī)不論是抽風(fēng)還是鼓風(fēng)，安裝時(shí)都最好不要直接貼裝在開孔的鈑金上； 3、風(fēng)道的設(shè)計(jì)：風(fēng)道要短而直，拐彎要少；在結(jié)構(gòu)尺寸不受影響時(shí)，增大風(fēng)道面積可減小壓力損失，同時(shí)可降低風(fēng)機(jī)的噪聲；當(dāng)風(fēng)道進(jìn)口需要安裝防塵時(shí)， 在防塵的效果和流體阻力之間要權(quán)衡；元件應(yīng)按叉排列方式，這樣可以提高氣流的紊流程度，增強(qiáng)散熱能力。 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 v 自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 設(shè)計(jì)要點(diǎn) 

10、2; 機(jī)柜的后門(面板)不須開通風(fēng)口。 ü 底部或側(cè)面不能漏風(fēng)。 ü 應(yīng)保證模塊后端與機(jī)柜后面門之間有足夠的空間。 ü 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。 ü 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)開通風(fēng)口外,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開通風(fēng)口。 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 v 自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 設(shè)計(jì)案例 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 v 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 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 v 強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 設(shè)計(jì)要點(diǎn) ü 如

11、果發(fā)熱分布均勻， 元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個(gè)發(fā)熱源. ü 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。 ü 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。 ü 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。 ü 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，

12、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； 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 v 強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 典型結(jié)構(gòu) 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 v 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 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 v 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 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 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.

13、024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。 v 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。 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 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。 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 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

14、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。 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 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

15、應(yīng)小于0.5mm。 ? 增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進(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。 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 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 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 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 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較

16、 散熱器的設(shè)計(jì)方法 v 散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法 v 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 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 v 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/(7.4×10-5 H×t 1.5) s-通風(fēng)口面積的大小，cm2 Q-機(jī)柜內(nèi)總的散熱量，W H-機(jī)柜的高度，cm， 約模塊高度的1.5-1.8倍， t=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 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 v 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: S