【正文】 F對流 (高空 )＝ F對流 (海平面 )/(ρ 高空 /ρ 海平面 ) 67 海拔高度對熱設計的影響及解決對策 ?強迫對流時的解決對策 ? 增大面積法 預先計算出海拔高度對自然對流換熱系數的影響大小，通過增加相應的對流換熱面積來彌補高空換熱能力的減弱，按下式計算： F對流 (高空 )＝ F對流 (海平面 )/(ρ 高空 /ρ 海平面 ) ? 提高風扇的轉速 RPM2/RPM1＝ ρ 海平面 /ρ 高空 68 元器件工作結溫的計算 ?元器件的工作結溫計算 ? 如果已知道散熱器臺面溫度 Ts , 則器件的工作結溫為： Tj=Ts+ PT Rth(js) Rth(js) =Rjc+Rcs+Rb Rth(js)－器件結到散熱器的熱阻， ℃ /W。 ? 降低設計、生產和重復設計、生產的費用。所以仿真軟件結果的可靠性決定于熱設計人員的經驗及理論水平。 Project Manager用于項目管理、物性參數、網格參數、計算參數的設定等；Drawing Board提供了一個可視化的建立機柜、插框、單板、芯片幾何 模型的界面和計算網格劃分工具。 ?求解器 ： Fluent求解器能夠求解多種流體介質問題；能夠求解結構化 ， 非結構化網格問題；支持網絡并行 。 ? 二次電源模塊熱設計的發(fā)展趨勢 二次電源模塊正朝著高效率、超輕、超薄、高功率密度的方向發(fā)展。 但由于熱管制造工藝復雜 ， 可靠性較低 ， 價格高 ， 在我司未獲得應用 。 由于散熱器分散，部分區(qū)域的功率管可以省掉導熱絕緣膜。 加熱端的液體在受熱后即汽化形成一個壓力梯度迫使蒸氣沿著管道流向冷凝端 ， 蒸氣在冷凝端釋放汽化潛熱而冷凝 ， 冷凝液體在吸液芯的毛細作用下或在重力的作用下回到加熱端 ， 形成循環(huán) 。 102 熱設計的發(fā)展趨勢 ?熱管技術 熱管的應用 余熱回收系統 特點： 傳熱溫差??； 傳遞熱量大。 熱設計的發(fā)展趨勢 ?熱管的特性－ 對外界要求的適應性 98 熱設計的發(fā)展趨勢 ?熱管的特性－熱管的傳熱極限 粘性極限 聲速極限 攜帶極限 毛細極限 沸騰極限 99 熱設計的發(fā)展趨勢 R1：熱源與蒸發(fā)段外壁面間的 （ 對流 ） 換熱熱阻 R2：蒸發(fā)段管壁的徑向導熱熱阻 。 ? 1960~1970年：發(fā)明熱管并成功應用于航天事業(yè) 1942~1944年， R. S. Gaugler提出了現代熱管的原理，但未實際應用； 1963年， G. M. Grover再次提出了這一原理，并以熱管命名； 六十年代，成功應用于空間飛行和原子反應堆； ? 七十年代至今：熱管在地面上各領域的應用蓬勃發(fā)展 82 熱設計的發(fā)展趨勢 ?熱管的基本結構 熱管通過工作流體的蒸發(fā)與冷凝來實現熱量傳遞 。 散熱器可以自由置于最有利的通風位置，從而提高散熱器的散熱效率。 ?熱管技術由于其傳熱溫差小 ， 傳熱效率高已在電子設備上逐步獲得應用 。傳統的集中散熱的方式 (所有的功率管全部集中在一個散熱器上 )無法滿足模塊體積逐步減小的要求。 具有如下優(yōu)點： ?建模能力 ： 除了有矩形 ， 圓形模型外 ， 還有多種復雜形狀模型 ， 如橢球體 、 多面體 、 管道 、 斜板等模型； 有 thinconduction 薄板模型 。 ? Flotherm軟件基本上可以分為前處理、求解器和后處理三個部分。 ? 對產品的風路進行優(yōu)化，最大限度的提高散熱效率。 Rjs= Rsa+Rjc+ Rcs＋Rb=+++=℃/w Tj=Ta+ PT Rth(ja).＝ 40＋ = ℃ 70 熱仿真技術 ?為什么要進行熱仿真分析？ ? 提高產品的性能及可靠性。 hc(高空 )＝ hc(海平面 )(ρ 高空 /ρ 海平面 ) =hc(海平面 ) (p高空 /p海平面 ) hc(高空 )， hc(海平面 )－ 分別為高空及海平面的自然對流換熱系數 ， W/ ρ 高空 ， ρ 海平面 － 分別為高空及海平面的空氣密度 ， Kg/m3 p高空 ， p海平面 － 分別為高空及海平面的空氣壓力 ， 帕斯卡 65 海拔高度對熱設計的影響及解決對策 ?海拔高度對強迫冷卻條件的熱設計要求 海拔高度對強迫風冷影響的機理是由于隨著海拔高度的增加 ， 空氣密度減小 ， 質量流速減小 ， 空氣分子間碰撞的概率降低 ， 對流換熱能力減弱 。 ? 對于風扇冷卻的機柜，在標 準機房內噪音不得超過 55dB， 在普通民房內不得超過 65dB。 52 熱設計的計算方法 ?冷板的計算方法 ? 傳熱計算 確定空氣流過冷板后的溫升 ： t=Q/qmCp 確定定性溫度 tf=(2ts+t1+t2)/4， 冷板臺面溫度 ts為假定值 設 定冷板的寬度為 b， 則通道的橫截面積為 Ac ， Ac=b Ac0 確定定性溫度下的物性參數 (μ 、 Cp、 ρ 、 Pr)。 確定風扇的型號經驗公式： 按照 ： q=()q` 按最大風量選擇風扇型號。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。 25 散熱器的設計方法 ?在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法 不同冷卻條件下對應的散熱器體積熱阻5 0 8 05 . 0 m / s ( 1 0 0 0 C F M )8 0 1 5 02 . 5 m / s ( 5 0 0 C F M )1 5 0 2 5 01 . 0 m / s ( 2 0 0 C F M )5 0 0 8 0 0自然冷卻散熱器體積熱阻 ℃－ cm 3 /W冷卻條件注意：只能作為初選散熱器的參考，不能用它來計算散熱器的熱阻，散熱器的實際熱阻需按附錄 A 提供的方法計算。 ? 自然對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，強化輻射換熱。 ? 對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于，可采用自然風冷。 局部阻力 ：在邊界急劇變化的區(qū)域，如斷面突然擴大或突然縮小、彎頭等局部位置，是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產生的流動阻力。 管內受迫層流換熱準則式： Nu= (Pr/Prw) 管內受迫紊流換熱準則式： twtf Nu= . twtf Nu= 16 熱設計的基礎理論 ?流體動力學基礎 ? 流量與斷面平均流速 流量 ：單位時間內流過過流斷面的流體數量。 ? 如果風扇同時冷卻散熱器及模塊內部的其它發(fā)熱器件，應在模塊內部采用阻流方法，使大部分的風量流入散熱器。 ?熱設計的發(fā)展趨勢： 了解最新散熱技術、了解新材料。 3 介紹 ?熱設計的目的 控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環(huán)境條件下不超過標準及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。 4 概述 ?風路的設計方法 ： 通過典型應用案例，讓學員掌握風路布局的原則及方法。 ? 應保證模塊后端與機柜后面門之間有足夠的空間。 14 熱設計的基礎理論 ?自然對流換熱 ? 有限空間的自然對流換熱 水平夾層的自然對流換熱問題分為三種情況： (1) 熱面朝上，冷熱面之間無流動發(fā)生，按導熱計算； (2) 熱面朝下，對氣體 1700,按導熱計算； (3) 有限空間的自然對流換熱方程式： 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 準則方程式15 熱設計的基礎理論 ?流體受迫流動換熱 ? 管內受迫流動換熱 管內受迫流動的特征表現為：流體流速、管子入口段及溫度場等因素對換熱的影響。單位 m/s(CFM) V＝ Q/A ? 濕周與水力半徑 濕周 ：過流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長度。 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點相互碰撞、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 。 22 散熱器的設計方法 ?散熱器設計的步驟 通常散熱器的設計分為三步 1:根據相關約束條件設計處輪廓圖。 ? 增加散熱器的齒片數。而在紅外區(qū)，一個良好的發(fā)射體也是一個良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無關。 自然冷卻 強迫風冷 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 熱設計的計算方法 ?冷卻方式的選擇方法 ? 冷卻方式的選擇方法 2:根據熱流密度與溫升要求，按圖 2所示關系曲線選擇，此方法適應于溫升要求不同的各類設備的冷卻 1010010001246820406080200 4 0 0 6 0 08001 100 . 0 1 0 . 1自然冷卻(對流和輻射)強迫空氣冷卻強迫水冷37 熱設計的計算方法 ?冷卻方式的選擇方法 ? 冷卻方式的選擇方法案例 某電子設備的功耗為 300W，機殼的幾何尺寸為 248 381 432mm，在正常大氣壓下，若設備的允許溫升為 40℃ ，試問采用那種冷卻方法比較合理？ 計算熱流密度： q=300/2( + + )= 根據圖 2查得，當△ t=40℃ ， q=，其交點正好落在自然冷卻范圍內，所有采用自然冷卻方法就可以滿足要求。 RSA=R對 +R導 + R輻 R對 =1/（ hc F1） F1對流換熱面積 (m), hc –對流換熱系數 (w/) R輻 輻射換熱熱阻 ， 對強迫風冷可忽略不計 對自然冷卻 R輻 ＝ 1/(4бεTm3) R導 ＝ R 基板 ＋ R肋導 ＝ δ /(λ F2)+（ (1/η ） 1)R對流 λ 導熱系數 ， w/.℃ δ 散熱器基板厚度 (m) η 肋效率系數 F2基板的導熱面積 (m) F2=*(d+δ )2 d 發(fā)熱器件的當量直徑（ m) 46 熱設計的計算方法 ?型材散熱器的計算 ? 對流換熱系數的計算 自然對流 垂直