【正文】 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=(△ t/L) ， w/ 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 L＝ 2(長(zhǎng) 寬 )/(長(zhǎng)＋寬 )， m 水平表面，熱表面朝下 hcb=(△ t/L) ， w/ 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 L＝ 2(長(zhǎng) 寬 )/(長(zhǎng)＋寬 )， m 47 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?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 層流 Ref105 hc＝ () λ 空氣 湍流 Ref105 hc＝ () λ 空氣 ? 肋片效率 對(duì)直齒肋： η =th(mb)/(mb)) m=(2 hc/λδ0) δ 0： 肋片根部厚度 (m) b. 肋高 (m) 48 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?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 △ P＝ hf+hj =λ f 通風(fēng)機(jī)箱的通風(fēng)面積計(jì)算 QT=(Ss+4St/3+2Sb/2)Δ +4ζεTm3F輻射 Δ t+1000uSinΔ t 55＝ ( + 4/3) 10 +4 108 ( + ) 3083 10＋ 1000 Sin 10 Sin= Sout＝ ()Sin= cm2 40 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?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(kāi)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/( 105 H Δt ) 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 ， Δt=t2t1－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 41 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?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=(φin2－ φhub2) 無(wú)風(fēng)扇端的通風(fēng)面積 S=() Sfan ? 系統(tǒng) 在后面板 (后門(mén) )上與模塊層對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為： S＝ ()(N S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 ?通風(fēng)面積計(jì)算的案例 [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 H=2 7U=14U 進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算： Sin=Q/( 105 H△ ) =360/( 105 14 )=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= b 出風(fēng)口面積 Sout Sout=()Sin=2 875=1750 cm2 43 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法 q`=Q/(△ T) 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 10－ 15℃ 。 自然冷卻 強(qiáng)迫風(fēng)冷 直接液冷 蒸發(fā)冷卻0 .0 4最大 0 .0 8最大 0 .3 1最大 0 .6 2最大 1 .0 8w /cm 236 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?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，按圖 2所示關(guān)系曲線(xiàn)選擇，此方法適應(yīng)于溫升要求不同的各類(lèi)設(shè)備的冷卻 1010010001246820406080200 4 0 0 6 0 08001 100 . 0 1 0 . 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 ?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 248 381 432mm，在正常大氣壓下，若設(shè)備的允許溫升為 40℃ ，試問(wèn)采用那種冷卻方法比較合理？ 計(jì)算熱流密度： q=300/2( + + )= 根據(jù)圖 2查得，當(dāng)△ t=40℃ ， q=，其交點(diǎn)正好落在自然冷卻范圍內(nèi)，所有采用自然冷卻方法就可以滿(mǎn)足要求。 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。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(wú)關(guān)。 ? 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。 ? 增加散熱器的齒片數(shù)。 ? 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。 22 散熱器的設(shè)計(jì)方法 ?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。 21 散熱器的設(shè)計(jì)方法 ?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，可采用自然風(fēng)冷。 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 。 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。單位 m/s(CFM) V＝ Q/A ? 濕周與水力半徑 濕周 ：過(guò)流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長(zhǎng)度。在紊流時(shí)，如果管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比L/d50則可忽略入口效應(yīng)，實(shí)際上多屬于此類(lèi)情況。 14 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?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(wèn)題分為三種情況： (1) 熱面朝上，冷熱面之間無(wú)流動(dòng)發(fā)生，按導(dǎo)熱計(jì)算； (2) 熱面朝下，對(duì)氣體 1700,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()m(δ /h)n 定型尺寸為厚度 δ ，定性溫度為冷熱壁面的平均溫度 Tm=(tw1+tw2 ) 3 .2 107 (G r .P r )7000 (G r .P r ) 3 .2 1070 .2 1 2 (G r .P r )1 / 41700 (G r .P r ) 7 0 0 00 .0 5 9 (G r .P r )0 . 4水平夾層 ( 熱面在下 )2 105 (G r .P r ) 1 .1 1070 .0 7 3 (G r .P r )1 / 3( δ / h )1 / 96000 (G r .P r ) 2 1050 .1 9 7 (G r .P r )1 / 4( δ / h )1 / 9垂直夾層適用范圍Nu 準(zhǔn)則方程式15 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?流體受迫流動(dòng)換熱 ? 管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱 管內(nèi)受迫流動(dòng)的特征表現(xiàn)為：流體流速、管子入口段及溫度場(chǎng)等因素對(duì)換熱的影響。 6 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 ?自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 設(shè)計(jì)案例 7 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 ?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 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 ?強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 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(guò)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。 ? 應(yīng)保證模塊后端與機(jī)柜后面門(mén)之間有足夠的空間。 ?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。 4 概述 ?風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法 ： 通過(guò)典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。 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(guò)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 ?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)境條件下不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。 ?產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法 ： 通過(guò)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。 ?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。 ? 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。 ? 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。 入口段： 流體從進(jìn)入管口開(kāi)始需經(jīng)歷一段距離后管兩側(cè)的邊界層才能夠在管中心匯合，這時(shí)管斷面流速分布及流動(dòng)狀態(tài)才達(dá)到定型。 管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)則式： Nu= (Pr/Prw) 管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式： twtf Nu= . twtf Nu= 16 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) ? 流量與斷面平均流速 流量 ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)過(guò)流斷面的流體數(shù)量。用 x表示，單位m。 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。 Re=Vde/ν 2300 紊流 19 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?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=λ (L/de)(ρ V2/2) λ －沿程阻力系數(shù)， λ ＝ 64/Re ? 管內(nèi)紊流沿程阻力計(jì)算 hf=λ (L/de)(ρ V2/2) λ ＝ f(Re， ε /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 ε 有關(guān)。 ? 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，可采用自然風(fēng)冷。 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。 ? 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。目