【正文】 不同冷卻條件及流向長度與散熱齒片最佳齒間距的關(guān)系 m / s ( 10 00 ) m / s ( 50 0) m / s ( 20 0)30022515075流向長度 ( m m )冷卻條件27 散熱器的設(shè)計方法 ?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78 － 90針裝散熱器 / 釬焊 / 插片成型散熱器 ( 冷板散熱器 )高45 － 48小齒間距鋁型材較高25 － 32鏟齒散熱器較低15 － 22帶翅片的壓鑄散熱器 / 常規(guī)鋁型材低10 － 18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)計方法 ?散熱器的相似準則數(shù)及其應(yīng)用方法 ?相似準則數(shù)的定義 29 散熱器的設(shè)計方法 ?散熱器的相似準則數(shù)及其應(yīng)用方法 ?相似準則數(shù)的應(yīng)用 30 散熱器的設(shè)計方法 ?散熱器的基板的優(yōu)化方法 31 散熱器的設(shè)計方法 ?不同風速下散熱器齒間距選擇方法 32 散熱器的設(shè)計方法 ?不同風速下散熱器齒間距選擇方法 33 散熱器的設(shè)計方法 ?優(yōu)化散熱器齒間距的經(jīng)驗公式及評估風速變化對熱阻的影響的經(jīng)驗公式 34 散熱器的設(shè)計方法 ?輻射換熱的考慮原則 ? 如果物體表面的溫度低于 50℃ ，可忽略顏色對輻射換熱的影響。 ? 如果物體表面的溫度低于 50℃ ， 可不考慮輻射換熱的影響。 35 熱設(shè)計的計算方法 ?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，才考慮其它冷卻。 38 熱設(shè)計的計算方法 ?機箱的熱設(shè)計計算 ? 密封機箱 WT=(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt +4σεTm3ΔT ? 對通風機箱 WT=(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt +4σεTm3ΔT+1000uAΔT ? 對強迫通風機箱 WT=(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt +4σεTm3ΔT+ 1000QfΔT 39 熱設(shè)計的計算方法 ?機箱的熱設(shè)計計算 [案例 ]有一電子設(shè)備其總功耗為 55W，其外形尺寸長、寬、高分別為400mm、 300mm和 250mm，外殼外表面的黑度為 ε =，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)備的四個側(cè)面及頂面參與散熱，試進行自然冷卻設(shè)計計算。 44 熱設(shè)計的計算方法 ?實際冷卻風量的計算方法 ? 案例： 10K UPS主功率管部分的實際總損耗為 800W，空氣溫升按 15℃ 考慮，請選擇合適的風扇。ρ V22/2+ζρV22/2 λ f 沿程阻力系數(shù) L流向長度 (m) de當量水利直徑 (m)， de=4A流通 /濕周長 V斷面流速 (m/s) 沿程阻力系數(shù)計算 λ f 層流區(qū)： Re=Vd/υ ≤ 2300 λ f=64/Re 紊統(tǒng)光滑區(qū) 4000Re105 λ f= υ 運動粘度系數(shù) （ m2/s） ， 從文獻中查找 49 熱設(shè)計的計算方法 ?型材散熱器的計算 ? 散熱器的流阻計算 局面阻力系數(shù) ζ 突然擴大 按小面積流速計算的局部阻力系數(shù)： ζ 1＝ (1A1A2) 按大面積流速計算的局部阻力系數(shù)： ζ 2＝ (1A2/A1) 突然縮小 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗值 。 流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù) G=qm/Af Re=deG/μ 根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài) (層流或紊流 )， Re1800, 層流 ， Re105, 湍流 根據(jù)流體的狀態(tài) (層流或紊流 )計算考爾本數(shù) J Re1800,層流 J=6/Re Re105,湍流 J= 也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從 GJB/Z 2792 圖 12－ 18查得 53 熱設(shè)計的計算方法 ?冷板的計算方法 ? 傳熱計算 計算冷板的換熱系數(shù) ： h= JGCpPr2/3 計算肋片的效率 m=(2h/λδ)， η 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 算冷板的總效率 ：忽略蓋板及底版的效率，總效率為： A＝ At+Ar＋ Ab， η 0＝ 1－ Ar(1η f)/A 計算傳熱單元數(shù) NTU＝ hη 0A/qmCp 計算冷板散熱器的臺面溫度 ts=(eNTUt2t1)/(eNTU1) 54 熱設(shè)計的計算方法 ?冷板的計算方法 ? 流體流動阻力計算 計算流通面積與冷板橫截面積之比 ζ =Af/Ac 查空氣進入冷板時入口的損失系數(shù) Kc=f(Re,ζ )： 根據(jù)雷諾數(shù) Re及 ζ 從GJB/Z 2792 圖 12－ 16及圖 12－ 16查得 查摩擦系數(shù) f=f(Re,ζ )： 根據(jù)雷諾數(shù) Re從 GJB/Z 2792 圖 12－ 18查得 計算流動阻力 △ P＝ G2[(Kc+1ζ 2)+2(ρ 2/ρ 11)+f ρ 1A/(Afρ m)(1ζ 2Ke)ρ 1/ρ 2]/(2ρ 1) 55 熱設(shè)計的計算方法 ?冷板的計算方法 ? 判斷準則 確定是否滿足 ts[ts]，如果不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。 60 風扇的基本定律及噪音的評估方法 ?風扇定律 Basic (corrected) fan laws When fan speed changes When air density changes Air flow 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 + 50 log10 (RPM2/RPM1) N2 = N1 + 20 log10 (density2/density1) 61 風扇的基本定律及噪音的評估方法 ?風扇的噪音問題 ? 風扇產(chǎn)生的噪音與風扇的工作點或風量有直接關(guān)系，對于軸流風扇在大風量，低風壓的區(qū)域噪音最小，對于離心風機在高風壓，低風量的區(qū)域噪音最小，這和風扇的最佳工作區(qū)是吻合的。 62 風扇的基本定律及噪音的評估方法 ?風扇的噪音問題 ? 對于不得不采用大風量，高風壓風扇從而產(chǎn)生較大噪音的情況，可以在機柜的進風口、出風口、前后門內(nèi)側(cè)、風扇框面板、側(cè)板等處在不影響進風的條件下貼吸音材料，吸音效果較好的材料主要是多孔介質(zhì)，如玻璃棉，厚度越厚越好。 解：根據(jù)風扇定律 N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1) ＝ 40＋ 50 log10 (1000/2022) ＝ P2 =P1 (RPM2/RPM1)2 ＝ (1000/2022)2= CFM2 = CFM1 (RPM2/RPM1) ＝ 50(1000/2022)=25CFM 64 海拔高度對熱設(shè)計的影響及解決對策 ?海拔高度對自然冷卻條件的熱設(shè)計要求 對于自然對流 ， 其傳熱機理是由于冷卻空氣吸熱后其密度減小 ，迫使重力場中的空氣上升而形成冷熱空氣的對流而產(chǎn)生熱量傳遞 。 同樣 ， 強迫對流換熱隨海拔高度的變化最終體現(xiàn)在對流換熱系數(shù)的變化上 ， 美國軍用標準規(guī)定 ， 低于 5000米以下的高空 ， 如果忽略空氣溫度的變化 ， 可按 下 式計算海拔高度對強迫風冷換熱影響的強弱 。 ? 如果已知散熱器的熱阻，環(huán)境溫度，則器件的工作結(jié)溫為： Tj=Ta+ PT Rth(ja) Rth(ja) =Rsa+Rjc+Rcs+Rb Rth(ja)－器件結(jié)到環(huán)境的熱阻， ℃ /W。 ? 更快地將產(chǎn)品投放市場。 ? 目前商業(yè)的熱設(shè)計軟件種類繁多，有基于有限體積法的 Flotherm、 Ideas、 Icepack、 Tas－ Harvard thermal、Cool it、 Betasoft，及基于有限元的 Ansys等，其中Flotherm、 Ideas、 Icepack占據(jù)大部分的市場份額 。 任何先進的仿真軟件已永遠無法代替人，軟件只是熱設(shè)計人員所利用的工具之一。 Flortran是該軟件面向流場分析研究的專用模塊。前處理包括 Project Manager、 Drawing Board和 Flogate。 求解器是Flosolve模塊，它可以完成模型的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場和流場計算。 ?網(wǎng)格技術(shù) ：有結(jié)構(gòu)化 ， 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；有四面體網(wǎng)格；有四面體 、 六面體混合網(wǎng)格；能夠?qū)碗s模型快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格；支持結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的 nonconformal網(wǎng)格 。如果軟件使用者具有足夠的熱設(shè)計經(jīng)驗，則完全可以省略試驗驗證的環(huán)節(jié)。分散式散熱成為解決這一難題的主要技術(shù)。 如何有效的提高散熱器的傳熱效率成為引導該類產(chǎn)品熱設(shè)計發(fā)展的原動力 。 應(yīng)用熱管技術(shù)可以有效減小散熱器的體積 ， 減小傳導熱阻 。 C Copper 386 W/m 176。 可以最大限度的發(fā)揮風扇的作用，提高了風扇的利用率。 81 熱設(shè)計的發(fā)展趨勢 ?熱管技術(shù) ? 什么叫熱管？ 熱管是一種具有高效導熱性能的傳熱器件。 熱管內(nèi)部為真空 ， 一般都有吸液芯 。 （一）良好的導熱性： 導熱方式： 熱管 ——工質(zhì)相變 銅、銀 ——顯熱 ,自由電子 ,分子熱運動 導熱系數(shù)： 倍 43e ff 10~10???熱管技術(shù) ?熱管的特性 93 熱設(shè)計的發(fā)展趨勢 ?熱管的特性 對實心銅棒： ℃ 式中： A——銅棒的橫截面積 對于銅熱管：如 為 10℃ 則熱管的 式中： A——熱管的當量橫截面積 且這一比值隨 d0↓， l↑而增大。 R3：蒸發(fā)段吸液芯的 （ 徑向 ） 導熱熱阻 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 ） 導熱熱阻 R8：冷凝段管壁的 （ 徑向 ） 導熱熱阻 R9：冷源與冷凝段外壁面的 （ 對流 ） 換熱熱阻 R10：管壁與吸液芯的軸向?qū)釤嶙? R5 R4 R3 R2 R1 R10 R6 R7 R8 R9 Th Tc ?熱管傳熱的熱阻模型 100 熱設(shè)計的發(fā)展趨勢 ?熱管技術(shù) 熱管的應(yīng)用 （一）空間飛行器 溫度控制： 衛(wèi)星 航天飛行器 宇宙服 高傳熱量 小溫差的傳熱 101 熱設(shè)計的發(fā)展趨勢 ?熱管技術(shù) 熱管的應(yīng)用 （二）核反應(yīng)堆 核反應(yīng)堆堆芯 的熱控制。 C/W at 90 watts with 2 m/s air flow t