熱設(shè)計(jì)培訓(xùn)講義(電子科技大學(xué))

1、2022-6-812介紹 v為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)？高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響高溫對(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)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落。溫度對(duì)元器件的影響溫度對(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v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

2、超過標(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。v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 v風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法 ：通過典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。 v產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法 ：通過實(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。v風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法：了解風(fēng)扇的基

3、本定律及應(yīng)用；了解噪音的評(píng)估方法。v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)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策：了解海拔高度對(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。v熱仿真技術(shù)：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。v熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)：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v自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 機(jī)柜的后門(面板)不須開通風(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),

4、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。6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)案例設(shè)計(jì)案例7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)形式典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式監(jiān)控模塊交流配電單元整流模塊進(jìn)風(fēng)口直流配電單元風(fēng)道整流模塊進(jìn)風(fēng)口交流配電單元監(jiān)控模塊直流配電單元8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)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

5、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；9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)典型結(jié)構(gòu)10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)

6、典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式吹風(fēng)方式交流配電單元直流配電單元直流配電單元交流配電單元11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)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式抽風(fēng)方式交流配電單元直流配電單元直流配電單元交流配電單元12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)按下表選取表面形狀及位置C、n 值定型尺寸適用范圍 G r . Pr流態(tài)Cn垂直平壁及垂直圓柱層流0.591月4 日 高度h104-109紊流0.11月3 日109-1013水平圓柱層流1.

7、020.148 圓柱外徑D10-2-1020.850.188102-1040.480.25104-107紊流0.1251月3 日107-1012熱面朝上或冷面朝下的水平壁層流0.541月4 日 矩形取兩個(gè)邊長(zhǎng)21 04-8 1 0 6紊流0.151月3 日 的平均值，非規(guī)則81 08-1011熱面朝下或冷面朝上的水平壁層流0.581月5 日 形狀取面積與周長(zhǎng)之比， 105-1011紊流園盤取0 . 9 d13熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v自然對(duì)流換熱 有限空間的自然對(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；

8、(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)，通過夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過程計(jì)算。14熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v自然對(duì)流換熱 有限空間的自然對(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)流換熱問題分為三種情況： (1) 熱面朝上，冷熱面之間無流動(dòng)發(fā)生，按導(dǎo)熱計(jì)算； (2) 熱面朝下，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

9、性溫度為冷熱壁面的平均溫度Tm=(tw1+tw2 )3.2 107(Gr.Pr)7000(Gr.Pr)3.2 1070.212 (Gr.Pr)1/41700(Gr.Pr)70000.059 (Gr.Pr)0.4水平夾層(熱面在下)2105(Gr.Pr)1.1 1070.073 (Gr.Pr)1/3(/h)1/96000(Gr.Pr)50則可忽略入口效應(yīng)，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 P

10、r0.316熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 流量與斷面平均流速 流量流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過過流斷面的流體數(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 斷面平均流速斷面平均流速：由于流體的粘性，過流斷面上各點(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) VQ/A 濕周與水力半徑 濕周濕周：過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。 水力半徑水力半徑：總流過過流斷面面積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

11、流體：V1A1=V2A2. 對(duì)可壓縮流體 ： 1V1A1=1V2A217熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 恒定流能量方程 對(duì)理想流體對(duì)理想流體：Zp/+v2/2g=常數(shù) 實(shí)際流體實(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/+v12/2gZ2p2/+v22/2ghw18熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v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。

12、沿程阻力沿程阻力：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 紊流紊流：流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜，無規(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/2300 紊流19熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v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/

13、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 0.2520熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論v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)

14、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0.024W/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。22散熱器的設(shè)計(jì)方法v散熱器設(shè)

15、計(jì)的步驟 通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步通常散熱器的設(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

16、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

17、對(duì)表面換熱的影響。 25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不同冷卻條件下對(duì)應(yīng)的散熱器體積熱阻50-805.0m/s(1000CFM)80-1502.5m/s(500CFM)150-2501.0m/s(200CFM)500-800自然冷卻散熱器體積熱阻 cm3/W冷卻條件注意：只能作為初選散熱器的參考，不能用它來計(jì)算散熱器的熱阻，散熱器的實(shí)際熱阻需按附錄A提供的方法計(jì)算。26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 不同冷卻條件及流向長(zhǎng)度與散熱齒片最佳齒間距的關(guān)系 3.532.525.0m/s(1000)543.32.

18、52.5m/s(500)76541.0m/s(200)13107.56.5自然冷卻30022515075流向長(zhǎng)度(mm)冷卻條件27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表1 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率很高7890針裝散熱器/釬焊/插片成型散熱器(冷板散熱器)高4548小齒間距鋁型材較高2532鏟齒散熱器較低1522帶翅片的壓鑄散熱器/常規(guī)鋁型材低1018沖壓件/光表面散熱器成本參考傳熱效率，散熱器成型方法28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相似準(zhǔn)則數(shù)的定義29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相似準(zhǔn)則數(shù)的應(yīng)用30散熱

19、器的設(shè)計(jì)方法v散熱器的基板的優(yōu)化方法31散熱器的設(shè)計(jì)方法v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v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v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v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。 輻射換熱面積計(jì)算時(shí)，如

20、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。 35熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法v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確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。自然冷卻 強(qiáng)迫風(fēng)冷 直接液冷 蒸發(fā)冷卻0.04最大0.08最大0.31最大0.62最大1.08w/cm236熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法v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

21、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1010010001246820406080200 400 6008001100.010.1自然冷卻(對(duì)流和輻射)強(qiáng)迫空氣冷卻強(qiáng)迫水冷37熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法v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)，

22、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 39熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法v機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算 案例案例 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

23、黑度為=0.96，外表面的溫度為35，周圍環(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)t1.25+4Tm3F輻射t 1.86(1.40.25+0.40.34/3)10 1.25+45.6710- 80.96 (0.4 0.3+1.40.25)308310 =16.87+29.9=46.78WQ=55W 顯然，密封機(jī)箱不能夠滿足散熱要求，需開通風(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)t1.25+4Tm3F輻射t+1000uSin

24、t 551.86(1.40.25+0.40.34/3)10 1.25+45.6710-80.96(0.4 0.3+1.40.25)30831010000.1Sin10 Sin=82.2cm Sout(1.5-2.0)Sin=164.4 cm240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/(7.410-5 Ht 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)

25、口面積為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5-2倍41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: Sfan=0.785(in2hub2) 無風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=(1.1-1.5) Sfan 系統(tǒng) 在后面板(后門)上與模塊層對(duì)應(yīng)的位置開通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為： S(1.5-2.0)(NS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 42熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法v通風(fēng)面積計(jì)算的案例 案例案例 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

26、 H=27U=14U 進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算： Sin=Q/(7.410-5Ht1.5) =360/(7.410-514 4.44201.5)=875 cm2 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=128.7mm b 出風(fēng)口面積Sout Sout=(1.5-2.0)Sin=2875=1750 cm243v實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法 q=Q/(0.335T) q-實(shí)際所需的風(fēng)量，M3/h Q-散熱量，W T- 空氣的溫升，一般為1015。 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

27、風(fēng)扇型號(hào)。44v實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法 案例：10K UPS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/(0.335t)=800/(0.33515)=159.2m3/h 按照2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量： q=2q=2159.2=318.4m3/h 下表風(fēng)扇為可選型號(hào)兩 只 吹 風(fēng)1 5 0 m3/h6 3 .7 P a1 5 W4 7 1 5 M S -2 3 T -B 5 0兩 只 吹 風(fēng)1 1 8 C F M0 .3 3 in .H2O8 .4 W4 7 1 5 K L B 4 045v型材散熱器的計(jì)算型材散熱器的計(jì)算 散熱器的熱

28、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/（hc F1） F1-對(duì)流換熱面積(m), hc 對(duì)流換熱系數(shù)(w/m2.k) R輻輻-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輻輻1/(4Tm3) R導(dǎo)R 基板R肋導(dǎo) /(F2)+（(1/）-1)R對(duì)流 -導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h. - 散熱器基板厚度(m) - 肋效率系數(shù) F2-基板的導(dǎo)熱面積(m) F2=0.785*(d+)2 d- 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m)46v型材散熱器的計(jì)算型材散熱器的計(jì)算 對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算自然對(duì)流自然對(duì)流 垂直表面 hcs=1.414(t/L)0.25 ，w/m.k 式中:

29、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L2(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L2(長(zhǎng)寬)/(長(zhǎng)寬)，m 47v型材散熱器的計(jì)算型材散熱器的計(jì)算 對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流強(qiáng)迫對(duì)流 層流 Ref105 hc(1.1-1.4) 空氣 0.032Ref 0.8/L 肋片效率 對(duì)直齒肋：

30、 =th(mb)/(mb) m=(2 hc/0) 0：肋片根部厚度(m) b. 肋高(m)48v型材散熱器的計(jì)算型材散熱器的計(jì)算 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 Phf+hj =fL/deV22/2+V22/2 f -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f 層流區(qū)：Re=Vd/2300 f=64/Re 紊統(tǒng)光滑區(qū) 4000Re105 f=0.3164/Re0.25 -運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)（m2/s），從文獻(xiàn)中查找49v型材散熱器的計(jì)算 散熱器的流阻計(jì)算 局面阻力系數(shù) 突然擴(kuò)大 按小面積

31、流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：1(1-A1A2) 按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)： 2(1-A2/A1) 突然縮小 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。 50v型材散熱器的計(jì)算 【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PAPST 4656Z ，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=0.785D2 =0.7850.1192=0.01116m2 流通面積：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.33810-3m2 水力直徑：

32、 de4Ff/x=43.33810-3/2.302=5.810-3m 由于風(fēng)速較低，一般最大不會(huì)超過6m/s，雷諾數(shù)2300，沿程阻力系數(shù)按下式計(jì)算：=64/Re64 /Vde 沿程阻力按下式計(jì)算： hf=(L/de)(V2/2)=(64 /Vde)(L/de)(V2/2) =(6416.9610-60.24/(V0.00582)(V2/2) =(8.07/V)(V2/2) 局部阻力按下式計(jì)算： hjV2/2 對(duì)于突然縮小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得0.38 總阻力損失 H=hf+ hj=(0.38+8.07/V )(V2/2) 51v型材散熱器的計(jì)算 【案例

33、】續(xù) 確定風(fēng)扇的工作點(diǎn) 10KVA UPS 的選擇風(fēng)扇為PAPST 4656Z，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=VL/=50.24/16.9610-6=5.6604104 努謝爾特?cái)?shù)： Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604104)0.5=157 對(duì)流換熱系數(shù)：hc=1.4Nuf/L=21.7w/m.k m=(2 hc/)0.5=9.82 ml=9.820.03=0.295，查得：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)： QhcFt =460.4

34、W 計(jì)算結(jié)果表面，散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。52v冷板的計(jì)算方法傳熱計(jì)算傳熱計(jì)算 確定空氣流過冷板后的溫升：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=bAc0 確定定性溫度下的物性參數(shù)(、Cp、Pr)。流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù) G=qm/Af Re=deG/ 根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)， Re105, 湍流根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計(jì)算考爾本數(shù)J Re105,湍流 J=0.023/Re 0.2 也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z 27-92 圖1218查得53v冷板的計(jì)算方法傳熱

35、計(jì)算傳熱計(jì)算計(jì)算冷板的換熱系數(shù)： h= JGCpPr2/3 計(jì)算肋片的效率 m=(2h/)0.5，f=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： AAt+ArAb， 01Ar(1-f)/A計(jì)算傳熱單元數(shù) NTUh0A/qmCp 計(jì)算冷板散熱器的臺(tái)面溫度 ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)54v冷板的計(jì)算方法流體流動(dòng)阻力計(jì)算流體流動(dòng)阻力計(jì)算計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比 =Af/Ac 查空氣進(jìn)入冷板時(shí)入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re及從GJB/Z 27-92 圖1216及圖1216查得 查摩擦系數(shù)

36、f=f(Re,)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z 27-92 圖1218查得計(jì)算流動(dòng)阻力 PG2(Kc+1-2)+2(2/1-1)+f 1A/(Afm)-(1-2-Ke)1/2/(21) 55v冷板的計(jì)算方法判斷準(zhǔn)則判斷準(zhǔn)則 確定是否滿足tsts，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PP，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56v冷板的計(jì)算方法案例：案例：10KVA UPS 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

37、.6)9.5/2=30.4mm2 每排有29個(gè)梯形小通道，共22排，n=2922=638個(gè) 基板厚度為：9mm 總的流通面積 Af =30.42922=0.0193952 m2 冷板的橫截面積 Ac=1201202=0.0288 m2 水力半徑：de=4Afi/=430.4/(29.5+3.8+2.6)=4.787mm57v冷板的計(jì)算方法 【案例】續(xù)確定風(fēng)扇的工作點(diǎn) Re=de G/=deqm/Af 在40空氣的物性參數(shù)為： 19.110-6kg/m.s, 1.12kg/m3 Re=(4.78710-31.120.30483 qm1/(6019.110-60.0193952) =6.831 q

38、m1(qm1的單位為：CFM) =Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.67358v冷板的計(jì)算方法 【案例】續(xù) 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: 我們把兩個(gè)NMB4715的風(fēng)扇流量相加，靜壓不變，得出兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)后的靜壓曲線，再把上表的數(shù)據(jù)繪制成風(fēng)道曲線并與風(fēng)扇靜壓曲線進(jìn)行畫在同一張圖上，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s。42.32915.15.18P(Pa)2.593.273.945.63f A/Af-0.4-0.4-0.4-0.41-2-Ke1.021.021.021.02Kc+1-25.5

39、74.182.791.39質(zhì)量 流 速 G(kg/s)1,366.21,024.62683.1341.54雷諾 數(shù) Re2001501005059v冷板的計(jì)算方法 【案例】續(xù) 空氣流過冷板后的溫升空氣流過冷板后的溫升 空氣口溫度為40 ，1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg. =19.110-6kg/m.s， Pr=0.699 質(zhì)量流量 qm=0.0802311.12=0.08986kg/s t= Q/qmCp=870.5/0.089861005.7=9.63 定性溫度： tf=(2ts+t1+t2)= (280+40+49.63)/4=62.4 按定性溫度查物性得： 1.06kg/

40、m3，Cp=1005.7J/kg. =20.110-6kg/m.s，Pr=0.696 換熱系數(shù)換熱系數(shù) 質(zhì)量流速 G=qm/Af =4.141.12=4.64kg/m2.s 雷諾數(shù) Re=deG/=4.78710-34.64/(20.110-6)=1105.1 層流 J=6/Re 0.98=6/1105.10.98=6.2510-3 h= JGCpPr-2/3=6.2510-34.641005.70.696-2/3 =37.14W/m2. 肋片效率肋片效率 m=(2h/)0.5=(237.14/(180 0.001)0.5=20.3 ml=20.30.11=2.23 f=th(ml)/ml=t

41、h(2.23)/2.23=0.433 傳熱單元數(shù)傳熱單元數(shù)：NTUh0A/qmCp=37.140.4333.241 =0.5772 冷板的表面溫度冷板的表面溫度： Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 顯熱） 2.低的傳熱溫差（理論上T 0）熱管工作原理之一熱管工作原理之一88熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)v熱管技術(shù) 熱管的工作原理之二89熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)冷凝液籍助重力回流，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠注意：1.必須工作在重力場(chǎng)； 2.加熱段必須位于放熱段下。v熱管技術(shù) 熱管的工作原理之三重力熱管工作原理90熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)1.按不同的冷凝液體回收方式可分為：冷凝液回收方式熱管形式重力重力熱管

42、毛細(xì)力標(biāo)準(zhǔn)熱管離心力回轉(zhuǎn)熱管v熱管技術(shù)熱管的形式91熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)按熱管的結(jié)構(gòu)形狀，可分為：?jiǎn)喂苄蜔峁芷桨逍蜔峁芊蛛x型（回路）熱管v熱管技術(shù)熱管的形式分離型熱管平板型熱管92熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)由于熱管的特有結(jié)構(gòu)，使它具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，它的應(yīng)用正是以這些特性為基礎(chǔ)。（一）良好的導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱方式：熱管工質(zhì)相變銅、銀顯熱,自由電子,分子熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)熱系數(shù)： 倍43eff1010v熱管技術(shù)熱管的特性93熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的特性對(duì)實(shí)心銅棒： 式中：A銅棒的橫截面積對(duì)于銅熱管：如 為10則熱管的式中：A熱管的當(dāng)量橫截面積且這一比值隨d0，l而增大。WQmlmmd10001200mlKmWeffcu8 .

43、0)/(3866598cueffBAAlQtBAt)(254696kmWtAlQBAeffeff660386254696cueff94熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的特性理想的等溫性 熱管正常工作時(shí)，內(nèi)部處于汽液兩相的平衡狀態(tài) Clausius-Clapeyron Eq. 熱管內(nèi)蒸氣由蒸發(fā)段流向冷凝段的壓差 蒸發(fā)段與冷凝段間溫差因 很小，所以 也很小但 （ ）隨Q的增加而增加，可用于對(duì)等溫要求很高的黑體爐、等溫爐等dpptdtvvdpdtdpdpdtdt95熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱量： 即熱流密度： 所以QQQceeeinAQq/ccoutAQq/ecoutinAAqq熱管的特性熱流密度可調(diào)性outinQQ9

44、6熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的特性傳熱方向的可逆性97熱源：熱流體的對(duì)流，熱固體的輻射熱， 固體的導(dǎo)熱單向傳熱：熱二極管，美國(guó)阿拉斯加輸 油管道的永久凍土層熱管保護(hù)系 統(tǒng)，114000支熱管，長(zhǎng)度最長(zhǎng)可 達(dá)21m。 溫度控制：可控?zé)釋?dǎo)熱管。熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的特性對(duì)外界要求的適應(yīng)性98熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的特性熱管的傳熱極限粘性極限聲速極限攜帶極限毛細(xì)極限沸騰極限99熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)R1：熱源與蒸發(fā)段外壁面間的（對(duì)流）換熱熱阻R2：蒸發(fā)段管壁的徑向?qū)釤嶙?。R3：蒸發(fā)段吸液芯的（徑向）導(dǎo)熱熱阻R4：蒸發(fā)段內(nèi)表面的 蒸發(fā)換熱熱阻R5：蒸汽的軸向流動(dòng)熱阻R6：冷凝段內(nèi)表面的冷凝換熱熱阻R7：冷凝段吸液芯的（徑向）導(dǎo)熱熱阻R8：冷凝段管壁