热设计基础完整版本

产品的热设计方法1/31/20241前言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—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。

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。2概述热传递的三种方式风路的设计基本方法

产品的热设计方法热设计的发展趋势3热能传递只有3种方式。分别为“传导”、“对流”及“热辐射”。请注意，传导与对流表面文字好像相似，但绝不相同！

下面是热的三种传递方式的形象说明：热传递的三种方式41.传导传导是指在物体（固体）中传播的热能的传递。

例如：铝和铁的导热性都很出色。这就是传导。

如果用数值表示导热性，树脂为0.2～0.3，铁为49，铝为228，铜为386。这些都是指该物质的导热率，单位为“W/（m·℃）”。越容易导热的物质，该数值越大。

如果用一句话来表述导热率的含义，即“有一种长1m、断面积为1m2的材料，其两端的温度差为1℃时，会流动多少W”。如果将其单位“W/（m·℃）”写成

热传递的三种方式52.对流（自然对流/受迫流动）对流是指热能通过与物体表面接触的流体，从物体表面向外传递的方式。请大家联想一下吃热拉面时的情景。用嘴吹一下，拉面就会变凉。那就是利用热对流使热从拉面表面向吹出的空气传递的结果。

这也可用数值表示。比如，流体为水，散热面水平放置时，自然对流就为（2.3～5.8）×100，受迫对流就为（1.2～5.8）×1000，水沸腾时就为（1.2～2.3）×10000。这就是各种情况下的传热系数，单位为“W/（m2·℃）”。

这个单位很容易理解。由于是“W/（面积·温度差）”，因此它的意思就是“面积为1m2的面与周围流体的温度差为1℃时，会从该面传递多少W热量”。

热传递的三种方式6（1）自然对流的传热系数空气自然对流时的传热系数用下图的公式求解。这里出现两个新词，分别为“姿势系数”和“代表长度”。这些是根据面的形状及设置方向定义的。下图分别显示了垂直和水平设置平板时的情况，其他面形状及设置方向也各有姿势系数及代表长度。

热传递的三种方式我们在做温度上升实验时，机器的放置状态和最终的实验结果是有关系的！7（2）空气受迫流动时传热系数

传热系数受散热面设置状况的影响较大。根据流体的种类、流速及流动方向等，数值会发生变化。因此，计算传热系数的公式会根据不同的情况发生改变。

比如，有一个温度均匀的平板，如果在与其平行的方向受迫流动空气时（受迫对流），可用左图的公式求出传热系数。从该公式可知以下两点。

①传热系数与流速的平方根（√）成比例

→流速提高至2倍，传热系数也只提高至1.4倍

②如果冷却面积相同，流动的距离越长，传热系数越低

→在冷却面上流动的空气吸热后，会在温度上升的同时继续流动，因此冷却能力会越来越弱

总之，冷却热的物体时，与使用强风使其冷却的方法相比，横向扩大散热面，使整体通风的方法更有效。

热传递的三种方式8热传递的三种方式3.热辐射辐射是指经由红外线、光及电磁波等从物体表面传递的方式。被电炉发出的红色光照射后，会感到温暖。这就是热辐射。太阳的热量穿过真空宇宙到达地球，这也属于辐射。

辐射中热量是否易于吸收和放出取决于表面的温度及颜色等。就颜色大体而言，黑色容易吸放，而白色较难。

如果用数值来表示，其数值范围为0～1。理论上来讲，全黑物质为1，铝为0.05～0.5，铁为0.6～0.9，黑色树脂为0.8～0.9。这就是热辐射率（没有单位）。

此处公开的公式是一个近似式，用于计算设置在空气中的物体向周围的空气进行辐射时传递的热量。物体和空气的温度差并不是很大时，可利用该公式准确计算出结果。

热传递只有前面提到的3种方式。利用这些公式可计算出“从表面温度为○○℃的方形箱体表面会向空气中释放多少W的热量”。

至此，总结了“热设计的3条基础知识”。不论是感觉“公式很难”的人，还是“早就知道”的人，只要了解这3条就足够了。

9风路设计方法自然冷却的风路设计设计案例10风路设计方法强迫冷却的风路设计典型结构11散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热12散热器的设计方法强迫冷却散热器的设计方法

增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。13散热器的设计方法不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较14热设计的计算方法冷却方式的选择方法确定冷却方法的原则

在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满足散热要求时，才考虑其它冷却。冷却方式的选择方法1:根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式，具有一定的局限性，如图1所示。15热设计的一般材料一般散热材料的热传导能力。16热设计的发展趋势热管技术计算机CPU用热管散热器0.35°C/Wat90wattswith2m/sairflowthermalresistance.45°C/Wat400ft/min17DesktopPC热设计的发展趋势热管技术-热管的应用18热设计的发展趋势热管技术Therma-Base™heatsinks与型材散热器的比较19热设计的发展趋势

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