热设计的基本方法和定律

2022/12/281产品的热设计方法2介绍为什么要进行热设计？高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。

3介绍热设计的目的

控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的

工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。在本次讲座中将学到那些内容风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计的影响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势。

4概述风路的设计方法

：通过典型应用案例，让学员掌握风路布局的原则及方法。产品的热设计计算方法

：通过实例分析，了解散热器的校核计算方法、风量的计算方法、通风口的大小的计算方法。风扇的基本定律及噪音的评估方法：了解风扇的基本定律及应用；了解噪音的评估方法。海拔高度对热设计的影响及解决对策：了解海拔高度对风扇性能的影响、海拔高度对散热器及元器件的影响，了解在热设计如何考虑海拔高度对热设计准确度的影响。热仿真技术：了解热仿真的目的、要求，常用热仿真软件介绍。热设计的发展趋势：了解最新散热技术、了解新材料。5风路设计方法自然冷却的风路设计设计要点机柜的后门(面板)不须开通风口。底部或侧面不能漏风。应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面。对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。6风路设计方法自然冷却的风路设计设计案例7风路设计方法自然冷却的风路设计典型的自然冷机柜风道结构形式8风路设计方法强迫冷却的风路设计设计要点如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源.如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。风道的设计原则风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；9风路设计方法强迫冷却的风路设计典型结构10风路设计方法强迫冷却的风路设计电源系统典型的风道结构-吹风方式11风路设计方法法强迫冷却的的风路设计计电源系统典典型的风道道结构-抽风方式12热设计的基基础理论自然对流换换热大空间的自自然对流换换热Nu=C(Gr.Pr)n.定性温度：：tm=(tf+tw)/2定型尺寸按按及指数按按下表选取取13热设计的基基础理论自然对流换换热有限空间的的自然对流流换热垂直封闭夹夹层的自然然对流换热热问题分为为三种情况况：(1)在夹层内冷冷热壁的两两股流道边边界层能够够相互结合合，形成环环流；(2)夹层厚度δ与高度之比比δ/h>0.3时，冷热的的自然对流流边界层不不会相互干干扰，也不不会出现环环流，可按按大空间自自然对流换换热计算方方法分别计计算冷热的的自然对流流换热；(3)冷热壁温差差及厚度均均较小，以以厚度为定定型尺寸的的Gr=(Bg△tδ3)/υ3<2000时，通过夹夹层的热量量可按纯导导热过程计计算。14热设计的基基础理论自然对流换换热有限空间的的自然对流流换热水平夹层的的自然对流流换热问题题分为三种种情况：(1)热面朝上，，冷热面之之间无流动动发生，按按导热计算算；(2)热面朝下，，对气体Gr.Pr<1700,按导热计算算；(3)有限空间的的自然对流流换热方程程式：Nu=C(Gr.Pr)m(δ/h)n定型尺寸为为厚度δ，定性温度度为冷热壁壁面的平均均温度Tm=(tw1+tw2)15热设计的基基础理论流体受迫流流动换热管内受迫流流动换热管内受迫流流动的特征征表现为：：流体流速速、管子入入口段及温温度场等因因素对换热热的影响。。入口段：流体从进入入管口开始始需经历一一段距离后后管两侧的的边界层才才能够在管管中心汇合合，这时管管断面流速速分布及流流动状态才才达到定型型。这段距距离称为入入口段。入口段管管内流动换换热系数是是不稳定的的，所以计计算平均对对流换热系系数应对入入口段进行行修正。在在紊流时，，如果管长长与管内径径之比L/d>50则可忽略入入口效应，，实际上多多属于此类类情况。管内受迫层层流换热准准则式：Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25管内受迫紊紊流换热准准则式：tw>tfNu=0.023Re0.8Pr0.4.tw<tfNu=0.023Re0.8Pr0.316热设计的基基础理论流体动力学学基础流量与断面面平均流速速流量：单位时间间内流过过过流断面的的流体数量量。如数量量以体积衡衡量称为体体积流量Q；单位为m3/s(CFM)；如数量用用重量衡量量称为重量量流量G，单位为Kg/s。二者的关关系为：G=γQ断面平均流流速：由于流体体的粘性，，过流断面面上各点的的流速分布布不均匀，，根据流量量相等原则则所确定的的均匀流速速称为断面面平均流速速。单位m/s(CFM)V＝Q/A湿周与水力力半径湿周：过流断面面上流体与与固体壁面面相接触的的周界长度度。用x表示，单位位m。水力半径：总流过过过流断面面面积A与湿周x之比称为水水力半径，，应符号R表示，单位位M。恒定流连续续性方程对不可压缩缩流体：V1A1=V2A2.对可压缩流流体：ρ1V1A1=ρ1V2A217热设计的基基础理论流体动力学学基础恒定流能量量方程对理想流体体：Z＋p/γ+v2/2g=常数实际流体:由于粘性作作为会引起起流动阻力力，流体阻阻力与流体体流动方向向相反作负负功，使流流体的总能能量不断衰衰减，每个个断面的Z＋p/y+v2/2g≠常数，假设设流体从断断面1到断面2的能量损失失为hw，则元流的的能量方程程式为：Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋hw18热设计的基基础理论流体动力学学基础流体流动的的阻力:由于流体的的粘性和固固体边界的的影响，使使流体在流流动过程中中受到阻力力，这个阻阻力称为流流动阻力，，可分为沿沿程阻力和和局部阻力力两种。沿程阻力：在边界沿沿程不变的的区域，流流体沿全部部流程的摩摩檫阻力。。局部阻力：在边界急急剧变化的的区域，如如断面突然然扩大或突突然缩小、、弯头等局局部位置，，是流体的的流体状态态发生急剧剧变化而产产生的流动动阻力。层流、紊流流与雷诺数数层流：流体质点点互不混杂杂，有规则则的层流运运动。Re=Vde/ν<2300层流紊流：流体质点点相互混杂杂，无规则则的紊流运运动。显然层流状状态下只存存在粘性引引起的摩檫檫阻力，而而紊流状态态下除摩檫檫阻力外还还存在由于于质点相互互碰撞、混混杂所造成成的惯性阻阻力，因此此紊流的阻阻力较层流流阻力大的的多。Re=Vde/ν<2300紊流19热设计的基基础理论流体动力学学基础管内层流沿沿程阻力计计算(达西公式)hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ－沿程阻力力系数，λ＝64/Re管内紊流沿沿程阻力计计算hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ＝f(Re，ε/d)，即紊流时时沿程阻力力系数不仅仅与雷诺数数有关，还还与相对粗粗糟度ε有关。尼古拉兹采采用人工粗粗糟管进行行试验得出出了沿程阻阻力系数的的经验公式式：紊流光滑区区：4000<Re<105,λ采用布拉修修斯公式计计算：λ＝0.3164/Re0.2520热设计的基基础理论流体动力学学基础非园管道沿沿程阻力的的计算引入当量水水力半径后后所有园管管的计算方方法与公式式均可适用用非园管，，只需把园园管直径换换成当量水水力直径。。de=4A/x局部阻力hj＝ξρV2/2ξ－局部阻力力系数突然扩大：：按小面积流流速计算的的局部阻力力系数：ζ1＝(1-A1/A2)按大面积流流速计算的的局部阻力力系数：ζ2＝(1-A2/A1)突然缩小：：可从相关的的资料中查查阅经验值值。21散热器的设设计方法散热器冷却却方式的判判据对通风条件件较好的场场合：散热热器表面的的热流密度度小于0.039W/cm2，可采用自自然风冷。。对通风条件件较恶劣的的场合：散散热器表面面的热流密密度小于0.024W/cm2，可采用自自然风冷。。散热器强迫迫风冷方式式的判据对通风条件件较好的场场合，散热热器表面的的热流密度度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用用强迫风冷冷。对通风条件件较恶劣的的场合：散热器表面面的热流密密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用用强迫风冷冷。22散热器的设设计方法散热器设计计的步骤通常散热器器的设计分分为三步1:根据相关约约束条件设设计处轮廓廓图。2:根据散热器器的相关设设计准则对对散热器齿齿厚、齿的的形状、齿齿间距、基基板厚度进进行优化。。3:进行校核计计算。23散热器的设设计方法自然冷却散散热器的设设计方法考虑到自然然冷却时温温度边界层层较厚，如如果齿间距距太小，两两个齿的热热边界层易易交叉，影影响齿表面面的对流，，所以一般般情况下，，建议自然然冷却的散散热器齿间间距大于12mm，如果散热热器齿高低低于10mm，可按齿间间距≥1.2倍齿高来确确定散热器器的齿间距距。自然冷却散散热器表面面的换热能能力较弱，，在散热齿齿表面增加加波纹不会会对自然对对流效果产产生太大的的影响，所所以建议散散热齿表面面不加波纹纹齿。自然对流的的散热器表表面一般采采用发黑处处理，以增增大散热表表面的辐射射系数，强强化辐射换换热。由于自然对对流达到热热平衡的时时间较长，，所以自然然对流散热热器的基板板及齿厚应应足够，以以抗击瞬时时热负荷的的冲击，建建议大于5mm以上。24散热器的设设计方法强迫冷却散散热器的设设计方法在散热器表表面加波纹纹齿，波纹纹齿的深度度一般应小小于0.5mm。增加散热器器的齿片数数。目前国国际上先进进的挤压设设备及工艺艺已能够达达到23的高宽比，，国内目前前高宽比最最大只能达达到8。对能够提提供足够的的集中风冷冷的场合，，建议采用用低温真空空钎焊成型型的冷板，，其齿间距距最小可到到2mm。采用针状齿齿的设计方方式，增加加流体的扰扰动，提高高散热齿间间的对流换换热系数。。当风速大于于1m/s(200CFM)时，可完全全忽略浮升升力对表面面换热的影影响。25散热器的设设计方法在一定冷却却条件下，，所需散热热器的体积积热阻大小小的选取方方法26散热器的设设计方法在一定的冷冷却体积及及流向长度度下，确定定散热器齿齿片最佳间间距的大小小的方法27散热器的设设计方法不同形状、、不同的成成型方法的的散热器的传热效率率比较28散热器的设设计方法散热器的相相似准则数数及其应用用方法相似准则数数的定义29散热器的设设计方法散热器的相相似准则数数及其应用用方法相似准则数数的应用30散热器的设设计方法散热器的基基板的优化化方法31散热器的设设计方法不同风速下下散热器齿齿间距选择择方法32散热器的设设计方法不同风速下下散热器齿齿间距选择择方法33散热器的设设计方法优化散热器器齿间距的的经验公式式及评估风风速变化对对热阻的影影响的经验验公式34散热器的设设计方法辐射换热的的考虑原则则如果物体表表面的温度度低于50℃，可忽略颜颜色对辐射射换热的影影响。因为为此时辐射射波长相当当长，处于于不可见的的红外区。。而在红外外区，一个个良好的发发射体也是是一个良好好的吸收体体，发射率率和吸收率率与物体表表面的颜色色无关。对于强迫风风冷，由于于散热表面面的平均温温度较低，，一般可忽忽略辐射换换热的贡献献。如果物体表表面的温度度低于50℃，可不考虑辐辐射换热的的影响。辐射换热面面积计算时时，如表面面积不规则，，应采用投投影面积。。即沿表面各各部分绷紧紧绳子求得得的就是这一一投影面积积，如图所所示。辐射射传热要求求辐射表面面必须彼此此可见。35热设计的计计算方法冷却方式的的选择方法法确定冷却方方法的原则则在所有的冷冷却方法中中应优先考考虑自然冷冷却，只有有在自然冷冷却无法满满足散热要要求时，才才考虑其它它冷却。冷却方式的的选择方法法1:根据温升在在40℃条件下各种种冷却方式式的热流密密度或体积积功率密度度值的范围围来确定冷冷却方式，，具有一定定的局限性性，如图1所示。36热设计的计计算方法冷却方式的的选择方法法冷却方式的的选择方法法2:根据热流密密度与温升升要求，按按图2所示示关关系系曲曲线线选选择择，，此此方方法法适适应应于于温温升升要要求求不不同同的的各各类类设设备备的的冷冷却却37热设设计计的的计计算算方方法法冷却却方方式式的的选选择择方方法法冷却却方方式式的的选选择择方方法法案案例例某电电子子设设备备的的功功耗耗为为300W，机机壳壳的的几几何何尺尺寸寸为为248××381××432mm，在在正正常常大大气气压压下下，，若若设设备备的的允允许许温温升升为为40℃℃，试试问问采采用用那那种种冷冷却却方方法法比比较较合合理理？？计算算热热流流密密度度：：q=300/2(2.48××2.2.48+2.48××4.32+2.2.81××4.32)=0.04W/cm2根据据图图2查得得，，当当△△t=40℃℃，q=0.04W/cm2时，，其其交交点点正正好好落落在在自自然然冷冷却却范范围围内内，，所所有有采采用用自自然然冷冷却却方方法法就就可可以以满满足足要要求求。。若设设备备的的温温升升有有严严格格限限制制，，假假设设只只允允许许10℃℃，由由图图2可以以看看出出，，需需强强迫迫风风冷冷才才能能满满足足要要求求。。38热设设计计的的计计算算方方法法机箱箱的的热热设设计计计计算算密封封机机箱箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)ΔΔt1.25+4σσεεTm3ΔT对通通风风机机箱箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)ΔΔt1.25+4σσεεTm3ΔT+1000uAΔΔT对强强迫迫通通风风机机箱箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)ΔΔt1.25+4σσεεTm3ΔT+1000QfΔT39热设设计计的的计计算算方方法法机箱箱的的热热设设计计计计算算[案例例]有一一电电子子设设备备其其总总功功耗耗为为55W，其其外外形形尺尺寸寸长长、、宽宽、、高高分分别别为为400mm、300mm和250mm，外外壳壳外外表表面面的的黑黑度度为为ε=0.96，外外表表面面的的温温度度为为35℃，周周围围环环境境温温度度为为25℃，设设备备内内部部的的空空气气允允许许温温度度为为40℃，设设备备的的四四个个侧侧面面及及顶顶面面参参与与散散热热，，试试进进行行自自然然冷冷却却设设计计计计算算。。解:密封封机机箱箱的的最最大大散散热热量量QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σεεTm3F辐射射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显然然，，密密封封机机箱箱不不能能够够满满足足散散热热要要求求，，需需开开通通风风口口。。通风风机机箱箱的的通通风风面面积积计计算算QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεεTm3F辐射射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=82.2cmSout＝(1.5-2.0)Sin=164.4cm240热设计的的计算方方法自然冷却却时进风风口面积积的计算算在机柜的的前面板板上开各各种形式式的通风风孔或百百叶窗，，以增加加空气对对流，进进风口的的面积大大小按下下式计算算：Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5)s-通风口面面积的大大小，cm2Q-机柜内总总的散热热量，WH-机柜的高高度，cm，约模块块高度的的1.5-1.8倍，Δt=t2-t1－内部空空气t2与外部空空气温度度t1之差，，℃℃出风口面面积为进进风口面面积的1.5-2倍41热设计的的计算方方法强迫风冷冷出风口口面积的的计算模块有风扇端端的通风风面积:Sfan=0.785(φin2－φhub2)无风扇端端的通风风面积S=(1.1-1.5)Sfan系统在后面板板(后门)上与模块块层对应应的位置置开通风风口，通通风口的的面积大大小应为为：S＝(1.5-2.0)(N×S模块)N---每层模块块的总数数S模块---每一个模模块的进进风面积积42热设计的的计算方方法通风面积积计算的的案例[案例]铁道信号号电源机机柜模块块及系统统均为自自然冷却却，每层层模块的的散热量量为360W，模块的的高度为为7U，进出口口温差按按20℃计算，机机柜实际际宽度为为680mm，试计算算每层进进出风口口的面积积？H按2倍模块的的高度计计算，即即H=2××7U=14U进风口口的面面积按按下式式计算算：Sin=Q/(7.4×10-5×H××△t1.5)=360/(7.4×10-5×14××4.44×201.5)=875cm2进风口口高度度h机柜的的宽度度按B=680mm计，则则进风风口的的高度度为：：H=Sin/B=875/68=128.7mmb出风口口面积积SoutSout=(1.5-2.0)Sin=2××875=1750cm243热设计计的计计算方方法实际冷冷却风风量的的计算算方法法q`=Q/(0.335△T)q`---实际所所需的的风量量，M3/hQ----散热量量，W△T--空气的的温升升，℃℃，一一般为为10－15℃℃。确定风风扇的的型号号经验验公式式：按照1.5-2倍的裕裕量选选择风风扇的的最大大风量量：q=(1.5-2)q`按最大大风量量选择择风扇扇型号号。44热设计计的计计算方方法实际冷冷却风风量的的计算算方法法案例：：10KUPS主功率率管部部分的的实际际总损损耗为为800W，空气气温升升按15℃考虑，，请选选择合合适的的风扇扇。实际所所须风风量为为：q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h按照2倍的裕裕量选选择风风扇的的最大大风量量：q=2q`=2×159.2=318.4m3/h下表风风扇为为可选选型号号45热设计计的计计算方方法型材散散热器器的计计算散热器器的热热阻散热器器的热热阻是是从大大的方方面包包括三三个部部分。。RSA=R对+R导+R辐R对=1/（hcF1）F1--对流换换热面面积(m),hc–对流换换热系系数(w/m2.k)R辐--辐射换换热热热阻，对强强迫风风冷可可忽略略不计计对自然然冷却却R辐＝1/(4бεTm3)R导＝R基板＋R肋导＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R对流λ--导热系系数，，w/m.h.℃δ--散热器器基板板厚度度(m)η--肋效率率系数数F2--基板的的导热热面积积(m)F2=0.785*(d+δ)2d-发热器器件的的当量量直径径（m)46热设计计的计计算方方法型材散散热器器的计计算对流换换热系系数的的计算算自然对对流垂直表表面hcs=1.414(△t/L)0.25，w/m.k式中:△t--散热表表面与与环境境温度度的平平均温温升，，℃L--散热表表面的的特征征尺寸寸，取取散热热表面面的高高，m水平表表面，，热表表面朝朝上hct=1.322(△t/L)0.25，w/m.k式中:△t--散热表表面与与环境境温度度的平平均温温升，，℃L--散热表表面的的特征征尺寸寸，取取L＝2(长×宽)/(长＋宽宽)，m水平表表面，，热表表面朝朝下hcb=0.661(△t/L)0.25，w/m.k式中:△t--散热表表面与与环境境温度度的平平均温温升，，℃L--散热表表面的的特征征尺寸寸，取取L＝2(长×宽)/(长＋宽宽)，m47热设计计的计计算方方法型材散散热器器的计计算对流换换热系系数的的计算算强迫对对流层流Ref<105hc＝(1.1-1.4)λ空气0.66Ref0.5/L湍流Ref>105hc＝(1.1-1.4)λ空气0.032Ref0.8/L肋片效效率对直齿齿肋：：η=th(mb)/(mb))m=(2hc/λδ0)δ0：肋片根根部厚厚度(m)b.肋高(m)48热设计计的计计算方方法型材散散热器器的计计算散热器器的流流阻计计算散热器器的流流阻包包括沿沿程阻阻力损损失及及局部部阻力力损失失△P＝hf+hj=λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2λf--沿程阻阻力系系数L--流向长长度(m)de--当量水水利直直径(m)，de=4A流通/湿周长长V--断面流流速(m/s)沿程阻阻力系系数计计算λf层流区区：Re=Vd/υ≤2300λf=64/Re紊统光光滑区区4000<Re<105λf=0.3164/Re0.25υ--运动粘粘度系系数（（m2/s），从从文献献中查查找49热设计计的计计算方方法型材散散热器器的计计算散热器器的流流阻计计算局面阻阻力系系数ζ突然扩扩大按小面面积流流速计计算的的局部部阻力力系数数：ζ1＝(1-A1A2)按大面面积流流速计计算的的局部部阻力力系数数：ζ2＝(1-A2/A1)突然缩缩小可从相相关的的资料料中查查阅经经验值值。50热设计计的计计算方方法型材散散热器器的计计算【案例】散热器器DXC-616(天津铝铝合金金厂编编号)，截面面图略略，散散热器器的截截面积积为77.78cm2，周长长为2.302m，单位位长度度的重重量为为21KG/m。风扇扇采用用PAPST4656Z，风扇扇功率率19W，最大风量量为160m3/h，压头为70Pa.风道阻力曲曲线的计算算入口面积：：Fin=0.785×D2=0.785×0.1192=0.01116m2流通面积：：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2水力直径：：de＝4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m由于风速较较低，一般般最大不会会超过6m/s，雷诺数<2300，沿程阻力力系数按下下式计算：：λ=64/Re＝64ν/Vde沿程阻力按按下式计算算：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)局部阻力按按下式计算算：hj＝ξρV2/2对于突然缩缩小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得ξ＝0.38总阻力损失失H=hf+hj=(0.38+8.07/V)(ρV2/2)51热设计的计计算方法型材散热器器的计算【案例】续确定风扇的的工作点10KVAUPS的选择风扇扇为PAPST4656Z，我们把风风道曲线与与风扇的曲曲线进行叠叠加，其交交点即为风风扇的工作作点，给工工作点对应应的风速为为5m/s，压力为35Pa.散热器的校校核计算雷诺数Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104努谢尔特数数：Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157对流换热系系数：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该散热器的的最大散热热量为（散散热器台面面温升按最最大40℃考虑)：Q＝hcF△tη=460.4W计算结果表表面，散热热器及风扇扇选型是合合理的。52热设计的计计算方法冷板的计算算方法传热计算确定空气流流过冷板后后的温升：t=Q/qmCp确定定性温温度tf=(2ts+t1+t2)/4，冷板台台面温度ts为假定值设定冷板的宽宽度为b，则通道的的横截面积积为Ac，Ac=b×Ac0确定定性温温度下的物物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)。流体的质量量流速和雷雷诺数G=qm/AfRe=deG/μ根据雷诺数数确定流体体的状态(层流或紊流流)，Re<1800,层流，Re>105,湍流根据流体的的状态(层流或紊流流)计算考尔本本数JRe<1800,层流J=6/Re0.98Re>105,湍流J=0.023/Re0.2也可以根据据齿形及雷雷诺数从GJB/Z27-92图12－18查得53热设计的计计算方法冷板的计算算方法传热计算计算冷板的的换热系数数：h=JGCpPr2/3计算肋片的的效率m=(2h/λδ)0.5，ηf=th(ml)/ml（也可以根根据ml值查相应的的图表得到到肋片效率率)计算冷板的的总效率：忽略盖板板及底版的的效率，总总效率为：：A＝At+Ar＋Ab，η0＝1－Ar(1-ηf)/A计算传热单单元数NTU＝hη0A/qmCp计算冷板散散热器的台台面温度ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)54热设计的计计算方法冷板的计算算方法流体流动阻阻力计算计算流通面面积与冷板板横截面积积之比σ=Af/Ac查空气进入入冷板时入入口的损失失系数Kc=f(Re,σ)：根据雷诺数数Re及σ从GJB/Z27-92图12－16及图12－16查得查摩擦系数数f=f(Re,σ)：根据雷诺数数Re从GJB/Z27-92图12－18查得计算流动阻阻力△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+fρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)55热设计的计算算方法冷板的计算方方法判断准则确定是否满足足ts<[ts]，如果不满足足，需增大换换热面积或增增大空气流量量。确定是否满足足△P<[△P]，如果不满足足，需减小冷冷板的阻力(如选择阻力较较小的齿形、、增大齿解决决等)或重新选择压压头较大的风风扇56热设计的计算算方法冷板的计算方方法案例：10KVAUPS冷板散热器，，器件的损耗耗为870.5W，要求冷板散散热器台面温温升小于30℃(在40℃的环境温度下下)。冷板散热器的的截面图略梯形小通道面面积：Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2每排有29个梯形小通道道，共22排，n=29×22=638个基板厚度为：：9mm总的流通面积积Af=30.4×29×22=0.0193952m2冷板的横截面面积Ac=120×120×2=0.0288m2水力半径：de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm57热设计的计算算方法冷板的计算方方法【案例】续确定风扇的工工作点Re=deG/μ=deqm/μAf在40℃空气的物性参参数为：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的单位为：CFM)σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.67358热设计的计算算方法冷板的计算方方法【案例】续先忽略空气密密度的变化,不同流量的流流阻计算如下下表所示:我们把两个NMB4715的风扇流量相相加，静压不不变，得出两两个风扇并联联后的静压曲曲线，再把上上表的数据绘绘制成风道曲曲线并与风扇扇静压曲线进进行画在同一一张图上，其其交点即为风风扇的工作点点，即为(170CFM，0.13in.H2O)，工作点对应应的风速为4.14m/s。59热设计的计算算方法冷板的计算方方法【案例】续空气流过冷板板后的温升空气口温度为为40℃，ρ１＝1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃μ=19.1×10-6kg/m.s，Pr=0.699质量流量qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s△t=Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63℃定性温度：tf=(2ts+t1+t2)=(2×80+40+49.63)/4=62.4℃按定性温度查查物性得：ρ１＝1.06kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃μ=20.1×10-6kg/m.s，Pr=0.696换热系数质量流速G=qm/Af=4.14×1.12=4.64kg/m2.s雷诺数Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1层流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传热单元数：NTU＝hη0A/qmCp=37.14××0.433×3.241=0.5772冷板的表面温温度：Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9℃<70℃冷板设计方案案满足散热要要求。60风扇的基本定定律及噪音的的评估方法风扇定律Basic(corrected)fanlaws

Whenfanspeedchanges

Whenairdensitychanges

Airflow

CFM2=CFM1(RPM2/RPM1)

WRONG!CFM2=CFM1(density2/density1)WRONG!

MASSFLOW2=MASSFLOW1(density2/density1)

Pressure

P2=P1(RPM2/RPM1)2

P2=P1(density2/density1)

Power

HP2=HP1(RPM2/RPM1)3

HP2=HP1(density2/density1)

Noise

N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)

N2=N1+20log10(density2/density1)

61风扇的基本定定律及噪音的的评估方法风扇的噪音问问题风扇产生的噪噪音与风扇的的工作点或风风量有直接关关系，对于轴轴流风扇在大大风量，低风风压的区域噪噪音最小，对对于离心风机机在高风压，，低风量的区区域噪音最小小，这和风扇扇的最佳工作作区是吻合的的。注意不要要让风扇工作作在高噪音区区。风扇进风口受受阻挡所产生生的噪音比其出风风口受阻挡产产生的噪音大好几几倍，所以一般应保证风扇进进风口离阻挡挡物至少30mm的距离，以免产生额外的噪音。。对于风扇冷却却的机柜，在在标准机房内噪音音不得超过55dB，在普通民房内内不得超过65dB。62风扇的基本定定律及噪音的的评估方法风扇的噪音问问题对于不得不采采用大风量，，高风压风扇扇从而产生较较大噪音的情情况，可以在在机柜的进风风口、出风口口、前后门内内侧、风扇框框面板、侧板板等处在不影影响进风的条条件下贴吸音音材料，吸音音效果较好的的材料主要是是多孔介质，，如玻璃棉，，厚度越厚越越好。有时由于没有有合适的风机机而选择了转转速较高的风风机，在保证证设计风量的的条件下，可可以通过调整整风机的电压压或其他方式式降低风扇的的转速，从而而降低风扇的的噪音。相应应的噪音降低低变化按下式式计算：N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)63风扇扇的的基基本本定定律律及及噪噪音音的的评评估估方方法法风扇扇的的噪噪音音问问题题【案例例】：一电电源源模模块块采采用用一一个个轴轴流流风风扇扇进进行行冷冷却却，，为为了了有有效效抑抑止止噪噪音音，，要要求求风风扇扇只只有有在在监监控控点点的的温温度度高高于于85℃℃才全全速速运运转转，，其其余余情情况况风风扇扇必必须须半半速速运运转转。。已已知知风风扇扇全全速速运运转转时时转转速速为为2000RMP，噪噪音音为为40db，求求在在半半速速运运转转时时风风扇扇的的噪噪音音为为多多少少？？如如果果已已知知全全速速运运转转时时风风扇扇的的工工作作点点为为(50CFM,0.3IN.H2O)，试试求求风风扇扇在在半半速速运运转转时时的的工工作作点点。。解：：根根据据风风扇扇定定律律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)=25CFM64海拔拔高高度度对对热热设设计计的的影影响响及及解解决决对对策策海拔拔高高度度对对自自然然冷冷却却条条件件的的热热设设计计要要求求对于于自自然然对对流流，，其其传传热热机机理理是是由由于于冷冷却却空空气气吸吸热热后后其其密密度度减减小小，，迫迫使使重重力力场场中中的的空空气气上上升升而而形形成成冷冷热热空空气气的的对对流流而而产产生生热热量量传传递递。。由由于于随随着着海海拔拔高高度度的的增增加加，，空空气气的的密密度度逐逐渐渐减减小小，，空空气气上上升升的的能能力力也也就就减减少少，，自自然然对对流流换换热热的的能能力力减减弱弱。。自自然然对对流流换换热热能能力力的的变变化化最最终终体体现现在在对对流流换换热热系系数数的的变变化化上上，，根根据据美美国国斯斯坦坦伯伯格格的的经经验验公公式式，，如如果果忽忽略略空空气气温温度度的的变变化化，，可可按按下下式式计计算算海海拔拔高高度度对对自自然然对对流流的的影影响响强强弱弱。。hc(高空空)＝hc(海平平面面)(ρ高空空/ρ海平平面面)0.5=hc(海平平面面)(p高空空/p海平平面面)0.5hc(高空空)，hc(海平平面面)－分别别为为高高空空及及海海平平面面的的自自然然对对流流换换热热系系数数，，W/m.kρ高空空，ρ海平平面面－分别别为为高高空空及及海海平平面面的的空空气气密密度度，，Kg/m3p高空空，p海平平面面－分别别为为高高空空及及海海平平面面的的空空气气压压力力，，帕帕斯斯卡卡65海拔拔高高度度对对热热设设计计的的影影响响及及解解决决对对策策海拔拔高高度度对对强强迫迫冷冷却却条条件件的的热热设设计计要要求求海拔拔高高度度对对强强迫迫风风冷冷影影响响的的机机理理是是由由于于随随着着海海拔拔高高度度的的增增加加，，空空气气密密度度减减小小，，质质量量流流速速减减小小，，空空气气分分子子间间碰碰撞撞的的概概率率降降低低，，对对流流换换热热能能力力减减弱弱。。同同样样，，强强迫迫对对流流换换热热随随海海拔拔高高度度的的变变化化最最终终体体现现在在对对流流换换热热系系数数的的变变化化上上，，美美国国军军用用标标准准规规定定，，低低于于5000米以下的的高空，，如果忽忽略空气气温度的的变化，，可按下式计算海海拔高度度对强迫迫风冷换换热影响响的强弱弱。层流：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)－分别为高高空及海海平面的的强迫风风冷对流流换热系系数，W/m.kp高空，p海平面－分别为高高空及海海平面的的空气压压力，帕帕斯卡66海拔高度度对热设设计的影影响及解解决对策策自然对流流时的解解决对策策预先计算算出海拔拔高度对对自然对对流换热热系数的的影响大大小，通通过增加加相应的的对流换换热面积积来弥补补高空换换热能力力的减弱弱，按下下式计算算：F对流(高空)＝F对流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.567海拔高度度对热设设计的影影响及解解决对策策强迫对流流时的解解决对策策增大面积积法预先计算算出海拔拔高度对对自然对对流换热热系数的的影响大大小，通通过增加加相应的的对流换换热面积积来弥补补高空换换热能力力的减弱弱，按下下式计算算：F对流(高空)＝F对流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.5提高风扇扇的转速速RPM2/RPM1＝ρ海平面/ρ高空68元器件工工作结温温的计算算元器件的的工作结结温计算算如果已知知道散热热器台面面温度Ts,则器件的的工作结结温为：：Tj=Ts+PT×Rth(j-s)Rth(j-s)=Rjc+Rcs+RbRth(j-s)－器件结结到散热热器的热热阻，℃℃/W。Rjc－器件结壳壳热阻，，℃/W，从器件件使用手手册中查查得Rcs--壳到散热热器的热热阻，即即接触热热阻,℃/W，可根据据从器件件使用手手册中查查得的值值乘以适适当的系系数得到到。Rb-绝缘垫片片的热阻阻，℃/W，可绝缘缘垫片的的数据资资料中查查得，无无绝缘垫垫片时该该项热阻阻为零。。如果已知知散热器器的热阻阻，环境境温度，，则器件件的工作作结温为为：Tj=Ta+PT×Rth(j-a)Rth(j-a)=Rsa+Rjc+Rcs+RbRth(j-a)－器件结结到环境境的热阻阻，℃/W。Rsa－散热器器热阻，，℃/W69元器件工工作结温温的计算算元器件的的工作结结温计算算[案例1]30A模块中，，输出二二极管处处散热器器的台面面温度为为94.6℃，二极管管的最大大结温为为175℃℃，结壳热热阻为0.45℃/W，接触热阻阻为0.15℃/W，绝缘垫片片的热阻阻为0.3℃/W，计算二极极管的工工作结温温。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]中的二极极管在一一散热器器中央，，散热器器的热阻阻为0.8℃/w，环境温温度为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℃70热仿真技技术为什么要要进行热热仿真分分析？提高产品品的性能能及可靠靠性。更快地将将产品投投放市场场。降低设计计、生产产和重复复设计、、生产的的费用。。减少试验验和测量量的次数数。71热仿真技技术仿真分析析技术及及软件介介绍电子设备备热设计计软件是是基于计计算传热热学技术术（NTS）和计算算流体力力学技术术（CFD）发展电电子设备备散热设设计辅助助分析软软件，它它可以帮帮助热设设计工程程师验证证、优化化热设计计方案，，满足产产品快速速开发的的需要，，并可以以显著降降低产品品验证热热测试的的工作量量。目前商业业的热设设计软件件种类繁繁多，有有基于有有限体积积法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、Tas－Harvardthermal、Coolit、Betasoft，及基于于有限元元的Ansys等，其中中Flotherm、I-deas、Ice-pack占据大部部分的市市场份额额。72热仿真技技术仿真分析析技术软软件在产产品开发发的作用用对产品的的温度场场作出预预测，使使我们在在进行产产品设计计开发时时关注热热点区域域。进行各种种设计方方案的优优劣分析析，得出出最佳的的设计方方案。对产品的的风路进进行优化化，最大大限度的的提高散散热效率率。任何先进进的仿真真软件已已永远无无法代替替人，软软件只是是热设计计人员所所利用的的工具之之一。所所以仿真真软件结结果的可可靠性决决定于热热设计人人员的经经验及理理论水平平。73热仿真技技术ANSYS软件介绍Ansys软件是由美国国Ansys公司推出的多多物理场有限限元仿真分析析软件，涉及及结构、热、、计算流体力力学、声、电电磁等学科，，能够有效地地进行各种场场的线性和非非线性计算及及多种物理场场相互影响的的耦合分析。。Structure是该软件面向向结构分析研研究的专用模模块。Flortran是该软件面向向流场分析研研究的专用模模块。Thermal是其中面向热热设计研究的的专用模块。。74热仿真技术Flothermal热分析软件介介绍Flotherm是英国的FLOMERICS公司开发的电电子设备热设设计软件，其其最显著的特特点是针对电电子设备的组组成结构，提提供的热设计计组件模型，，根据这些组组件模型可以以快速的建立立机柜、插框框、单板、芯芯片、风扇、、散热器等电电子设备的各各组成部分。。Flotherm软件基本上可可以分为前处处理、求解器器和后处理三三个部分。前前处理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate。ProjectManager用于项目管理理、物性参数数、网格参数数、计算参数数的设定等；；DrawingBoard提供了一个可可视化的建立立机柜、插框框、单板、芯芯片几何模型的界面和和计算网格划划分工具。通通过在ProjectManager和DrawingBoard中的互动操作作，就可以完完成具体的建建模工作。Flogate是一个数据接接口模块，它它可以把单板板的装配图文文件（IDF格式）导入Flotherm，直接完成单单板的建模设设计。求解解器是Flosolve模块，它可以以完成模型的的瞬态和稳态态温度场和流流场计算。后后处理部分包包括Visulation、Flomotion和Table，Visulation完成仿真计算算结果的可视视化显示；Flomotion除了也可以实实现可视化显显示外，还可可以制作流场场的动画显示示；热分析模模型的大量计计算数据如某某区域的平均均温度、空气气流量等可以以通过Table模块查询。75热仿真技术ICEPAK热分析软件介介绍ICEPAK是全球CFD的领导者FLUENT公司通过集成成ICEMCFD公司的网格划划分及后处理理技术而开发发成功的针对对电子设备冷冷却分析的专专用热设计软软件。具有如如下优点：建模能力：除了有矩矩形，圆形模模型外，还有有多种复杂形形状模型，如如椭球体、多多面体、管道道、斜板等模模型；有有thin-conduction薄板模型。网格技术：有结构化，，非结构化网网格；有四面面体网格；有有四面体、六六面体混合网网格；能够对对复杂模型快快速生成高质质量网格；支支持结构化与与非结构化的的non-conformal网格。求解器：Fluent求解器能够求求解多种流体体介质问题；；能够求解结结构化，非结结构化网格问问题；支持网网络并行。76热仿真技术传统的热设计计方法与仿真真分析方法的的比较在操作流程上上面的差异传统的热设计计方法利用设设计者的经验验确定出设计计方案，然后后利用经验公公式进行估算算，在通过试试验进行验证证，并根据试试验结果进行行优化。仿真分析软件件可以同时对对多种设计方方案的优劣进进行分析比较较，并能够确确定出最佳的的设计方案。。如果软件使使用者具有足足够的热设计计经验，则完完全可以省略略试验验证的的环节。从而而达到缩短设设计周期的目目的。优缺点比较对设计者经验的依赖度设计周期热设计一次成功率热设计方案的优化程度效率传统热设计方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法强长高高，裕量适中高77热设计的发展展趋势电源模块的热热设计发展趋趋势一次电源模块块的热设计发发展趋势随着电源模块块功率密度的的升高，热设设计已逐渐成成为瓶颈问题题。传统的集集中散热的方方式(所有的功率管管全部集中在在一个散热器器上)无法满足模块块体积逐步减减小的要求。。分散式散热热成为解决这这一难题的主主要技术。二次电源模块块热设计的发发展趋势二次电源模块块正朝着高效效率、超轻、、超薄、高功功率密度的方方向发展。以以OPENFRAME结构为代表的的新一代模块块，如图17所示，通过电电路技术上的的改进，提高高了模块的工工作效率，降降低了模块的的热损耗，同同时功率器件件及PCB耐温等级的提提高，使得模模块可以省掉掉金属或陶瓷瓷底板，进而而省掉了笨重重的散热器，，有效的节省省了系统的可可见，同时提提高了模块抗抗震动的能力力。78热设计的发展展趋势大功率UPS及变频器热设设计的发展趋趋势大功率UPS及变频器由于于其热损耗较较大，往往需需要较大的散散热器。如如何有效的的提高散热器器的传热效率率成为引导该该类产品热设设计发展的原原动力。由于于传统的型材材散热器传热热效率最低，，而以铲齿散热器/针装散热器/钎焊/插片成型散热热器为代表的的新的散热器器成型方式将将逐步取代传传统笨重的型型材散热器。。目前铲齿散散热器//钎焊/插片成型散热热器已在我司司获得广泛的的应用。热管技术由于于其传热温差差小，传热效效率高已在电电子设备上逐逐步获得应用用。应用热管管技术可以有有效减小散热热器的体积，，减小