换热器原理与设计第五章电子设备的自然冷却设计课件

第五章第一讲

电子设备的自然冷却设计自然冷却包括传导、自然对流和辐射换热。具有安全、可靠、价格便宜、维修量小等优点，如满足要求应优先选用。自然冷却用印制板的选取

适用于电子设备的印制板的品种较多，为了提高其传热（导热）性能，目前常用的有以下几种散热印制线路板。在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印制板5.2印制板上电子元器件的热安装技术

安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。竖直放置、平行排列。

其它情况的最佳间距值如下表所示。对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。竖直安装的印制电路板，最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。上述间距下，在71℃的环境中，对于小型印制电路板上热流密度为0.0155W/cm2的组件，其表面温度约为100℃（即温升约为30℃）。自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：0.0155W/cm2

。5.2.2自然对流换热表面传热系数计算式第93页表5-2机箱加装散热片5.5电子设备机柜和机壳的设计

采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。下图所示是电子设备自然散热的路径。可以看出机壳是接受设备内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳结构对电子设备的自然冷却显得格外重要。机壳表面的最大热流密度不得超过0.039W/cm2。机柜表面温度不得高于周围环境温度（机房）10℃。外壳必须与底座和支架有良好的导热连接。热路中的大部分热阻存在于接合交界面处。所有金属间的接触面必须清洁、光滑，并且接触面积应尽可能大，且应有足够的接触压力。铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为6.45～25.8cm2·℃/W。金属厚度以0.25～0.5cm为宜。机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相适应，且压降应小于热空气的浮升压力。进气孔的总面积可按下式计算：式中：A0——进风孔面积，cm2；

Φ0

——通风孔应散热流量，W；H——自然冷却设备机箱高度，cm； Δt=t2－t1；t2——设备内部空气温度，℃；

t1——设备外部周围环境温度。

第二讲电子设备强迫空气冷却设计2.1强迫空气冷却的热计算2.2通风机2.3系统压力损失及计算2.4强迫空气冷却系统的设计2.5通风管道的设计2.6强迫空气冷却的机箱和机柜设计2.1强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对流换热系数的确定。对流换热系数的大小与流体流动的状态（层流或紊流）、流体的物性参数、换热面的几何形状和位置等有关。判断流体流动状态的准则是雷诺数Re。对于管内流动，当Re≤2200时，流动属层流；当Re＞104时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。一、环境的影响环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于1360Pa时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。空气的动力粘度μ随温度的升高而增大，而不受压力的影响。

干燥空气的密度可由下式计算：式中：ρ——空气密度，kg/m3；

t——温度，℃；P1——使用大气压力，Pa。三、对流换热在电子设备热设计中的应用流体在管内或槽内流动对非圆形截面管道来说，公式中所用的当量直径为：式中：A——管道横截面积，m2；

U——湿周长度，m。空气以湍流状态流经管道掠过圆柱体或导线（表5-5，120页）流过球体平行于平面（或板）Re在400-1500的层流，带散热片的冷板和热交换器的传热因子2.2通风机通风机可分为离心式（下图(a)）和轴流式下图(b)两类。二、轴流式风机

轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其结构形式可分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导叶式用于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。三、风机性能主要性能参数：风量、风压、功率和效率风压：全压（扬程,动压+静压），动压（动能），静压（相对压力，皮托管全压和静压）功率：风量×风压效率：风机功率／轴功率三、通风机特性曲线通风机特性曲线是指通风机在某一固定转速下工作时，静压、效率和功率随风量而变化的关系曲线。其中风量与静压关系曲线最为常用。上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。特性曲线中存在一效率最高的点，当通风机工作在该点附近时，这就需要选择最佳通风机，以便满足空气流量和静压的要求。四、系统阻力特性与通风机工作点的确定通风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的，并在出口处形成一定的速度头。系统（或通风管道）的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比。右图中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线分别代表不同系统（风道）的特性曲线。系统（阻力）特性曲线与通风机的特性曲线的交点就是该通风机的工作点。六、通风机的串联和并联使用当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可考虑通风机的串联或并联方式。通风机的串联使用

当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联的工作方式。

通风机串联后总风量基本上是每台风机的风量（略有增加），总风压为相同风量下两台通风机风压相加。

因此当风道特性曲线比较陡时，即风道阻力较大时，可采用串联形式。

通风机的并联使用

通风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而总风量是各通风机风量之和。

当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。2.3系统压力损失及计算系统压力损失（也称压降）包括两部分：①

沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失。②局部压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。一、沿程压力损失式中：Δpl

——沿程压力损失，Pa；v

——空气平均流速，m/s；

f——沿程阻力系数；ρ——空气密度，kg/m3；

l

——管道长度，m；de

——当量直径，m。对于光滑的管道，其沿程阻力系数f只是Re的函数，可用下列公式计算：a.层流时：b.紊流且Re≤105时：c.紊流且105＜Re＜3×106时：对于粗糙管道，沿程阻力系数f是Re及管壁相对粗糙度的函数，可由下图查得。常用管道的绝对粗糙度ε(mm)如下表所示。二、管道局部压力损失当流体的速度和方向发生变化时所引起的局部压力损失由下式计算：式中：Δpc

——局部压力损失，Pa；

Σζ——局部阻力损失系数之和，其值如下各表所示；ρ——空气密度，kg/m3；v

——空气平均流速，m/s。三、压力损失计算的基本类型已知流速、长度、直径、粘度及粗糙度求压力损失。在电子设备冷却系统的设计中，这是最常见的问题。在这类问题中，流速是由所需要的冷却量确定的；已知压力损失、长度、直径、粘度及粗糙度求流量。在电子设备冷却系统的设计中，一般没有这种情况，因为流量总是由散热量确定的；已知压力损失、流量、长度、粘度及粗糙度求直径。例如利用一台给定的鼓风机，这时管道尺寸将由允许的压降来确定。2.4强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却系统设计的步骤包括：1.根据散热要求，确定冷却空气入口和出口的温度（推荐低于70度）和压力；2.根据可靠性要求确定每个元器件的最高允许温度（或温升）3.根据电性能和空间位置以及冷却功率的要求确定元器件的排列和布置方式；4.确定雷诺数；5.根据系统的结构尺寸和雷诺数，计算空气流过每个电子元器件或元器件组的质量流量（或体积流量）；6.计算系统的总压力损失及需要的冷却功率。一、电子元器件的风冷设计

大功率晶体管的外表面积不够大，不能满足直接强迫空气冷却，必须采用扩展表面的散热器。

大规模集成电路的功率密度比较大，可以采用直接强迫空气冷却。应使其一个平面暴露在流速较高的风道中进行冷却。

电阻器成组安装时，它们之间的空隙应尽可能地大。当电阻器装在一块垂直板或底座上时，电阻器的轴线必须垂直。当电阻器轴线呈水平方向时，电阻器必须叉排，以提高其紊流程度和冷却效果。电子设备用的变压器和电感器内热阻很大，因此采用强迫风冷时，变压器与散热器之间应具有低热阻的传热路径。二、稳流器强迫空气冷却时，就局部冷却而言，紊流比层流的效果要好。

强迫空气冷却的设备应保证紊流出现在靠近发热器件的表面，其措施是适当地使热源相互靠近，或者靠近管道壁使距离间隙缩小，或者加装稳流器以便增加其紊流程度。右图(a)是在垂直于气流方向上装一个稳流器，图(b)是在热源前放一横排小棒的稳流器。三、印制板组件的强迫空气冷却当不允许冷却空气和器件表面直接接触时，可以把印制板组件背靠背形成一个空芯冷却空气通道进行冷却。如右图所示。空芯印制板风冷设计的主要问题是密封。风道类型113页1射流式5-192水平5-203变截面5-214隔板式5-222.5通风管道的设计尽量采用短而直风道输送空气避免采用急剧拐弯和弯曲的风道。可采用气体分离器和导流器，以减小阻力损失避免骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不得