【正文】 F對(duì)流 (高空 )＝ F對(duì)流 (海平面 )/(ρ 高空 /ρ 海平面 ) 67 海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策 ?強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的解決對(duì)策 ? 增大面積法 預(yù)先計(jì)算出海拔高度對(duì)自然對(duì)流換熱系數(shù)的影響大小，通過(guò)增加相應(yīng)的對(duì)流換熱面積來(lái)彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱，按下式計(jì)算： F對(duì)流 (高空 )＝ F對(duì)流 (海平面 )/(ρ 高空 /ρ 海平面 ) ? 提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速 RPM2/RPM1＝ ρ 海平面 /ρ 高空 68 元器件工作結(jié)溫的計(jì)算 ?元器件的工作結(jié)溫計(jì)算 ? 如果已知道散熱器臺(tái)面溫度 Ts , 則器件的工作結(jié)溫為： Tj=Ts+ PT Rth(js) Rth(js) =Rjc+Rcs+Rb Rth(js)－器件結(jié)到散熱器的熱阻， ℃ /W。 ? 降低設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和重復(fù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的費(fèi)用。所以仿真軟件結(jié)果的可靠性決定于熱設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)及理論水平。 Project Manager用于項(xiàng)目管理、物性參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)、計(jì)算參數(shù)的設(shè)定等；Drawing Board提供了一個(gè)可視化的建立機(jī)柜、插框、單板、芯片幾何 模型的界面和計(jì)算網(wǎng)格劃分工具。 ?求解器 ： Fluent求解器能夠求解多種流體介質(zhì)問題；能夠求解結(jié)構(gòu)化 ， 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問題；支持網(wǎng)絡(luò)并行 。 ? 二次電源模塊熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 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(fù)雜 ， 可靠性較低 ， 價(jià)格高 ， 在我司未獲得應(yīng)用 。 由于散熱器分散，部分區(qū)域的功率管可以省掉導(dǎo)熱絕緣膜。 加熱端的液體在受熱后即汽化形成一個(gè)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(xì)作用下或在重力的作用下回到加熱端 ， 形成循環(huán) 。 102 熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) ?熱管技術(shù) 熱管的應(yīng)用 余熱回收系統(tǒng) 特點(diǎn)： 傳熱溫差?。? 傳遞熱量大。 熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) ?熱管的特性－ 對(duì)外界要求的適應(yīng)性 98 熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) ?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(xì)極限 沸騰極限 99 熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) R1：熱源與蒸發(fā)段外壁面間的 （ 對(duì)流 ） 換熱熱阻 R2：蒸發(fā)段管壁的徑向?qū)釤嶙?。 ? 1960~1970年：發(fā)明熱管并成功應(yīng)用于航天事業(yè) 1942~1944年， R. S. Gaugler提出了現(xiàn)代熱管的原理，但未實(shí)際應(yīng)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(yīng)用于空間飛行和原子反應(yīng)堆； ? 七十年代至今：熱管在地面上各領(lǐng)域的應(yīng)用蓬勃發(fā)展 82 熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) ?熱管的基本結(jié)構(gòu) 熱管通過(guò)工作流體的蒸發(fā)與冷凝來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞 。 散熱器可以自由置于最有利的通風(fēng)位置，從而提高散熱器的散熱效率。 ?熱管技術(shù)由于其傳熱溫差小 ， 傳熱效率高已在電子設(shè)備上逐步獲得應(yīng)用 。傳統(tǒng)的集中散熱的方式 (所有的功率管全部集中在一個(gè)散熱器上 )無(wú)法滿足模塊體積逐步減小的要求。 具有如下優(yōu)點(diǎn)： ?建模能力 ： 除了有矩形 ， 圓形模型外 ， 還有多種復(fù)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(gè)部分。 ? 對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)路進(jìn)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(shù) ?為什么要進(jìn)行熱仿真分析？ ? 提高產(chǎn)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(duì)流換熱系數(shù) ， 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(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策 ?海拔高度對(duì)強(qiáng)迫冷卻條件的熱設(shè)計(jì)要求 海拔高度對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷影響的機(jī)理是由于隨著海拔高度的增加 ， 空氣密度減小 ， 質(zhì)量流速減小 ， 空氣分子間碰撞的概率降低 ， 對(duì)流換熱能力減弱 。 ? 對(duì)于風(fēng)扇冷卻的機(jī)柜，在標(biāo) 準(zhǔn)機(jī)房?jī)?nèi)噪音不得超過(guò) 55dB， 在普通民房?jī)?nèi)不得超過(guò) 65dB。 52 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?冷板的計(jì)算方法 ? 傳熱計(jì)算 確定空氣流過(guò)冷板后的溫升 ： t=Q/qmCp 確定定性溫度 tf=(2ts+t1+t2)/4， 冷板臺(tái)面溫度 ts為假定值 設(shè) 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(shù) (μ 、 Cp、 ρ 、 Pr)。 確定風(fēng)扇的型號(hào)經(jīng)驗(yàn)公式： 按照 ： q=()q` 按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號(hào)。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。 25 散熱器的設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)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(lái)計(jì)算散熱器的熱阻，散熱器的實(shí)際熱阻需按附錄 A 提供的方法計(jì)算。 ? 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。 ? 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。 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。 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。 ? 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。 ?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。 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。 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。 ? 應(yīng)保證模塊后端與機(jī)柜后面門之間有足夠的空間。 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。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。 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 。 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。 ? 增加散熱器的齒片數(shù)。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)。 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)系曲線選擇，此方法適應(yīng)于溫升要求不同的各類設(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足要求。 RSA=R對(duì) +R導(dǎo) + R輻 R對(duì) =1/（ hc F1） F1對(duì)流換熱面積 (m), hc –對(duì)流換熱系數(shù) (w/) R輻 輻射換熱熱阻 ， 對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷可忽略不計(jì) 對(duì)自然冷卻 R輻 ＝ 1/(4бεTm3) R導(dǎo) ＝ R 基板 ＋ R肋導(dǎo) ＝ δ /(λ F2)+（ (1/η ） 1)R對(duì)流 λ 導(dǎo)熱系數(shù) ， w/.℃ δ 散熱器基板厚度 (m) η 肋效率系數(shù) F2基板的導(dǎo)熱面積 (m) F2=*(d+δ )2 d 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（ m) 46 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 自然對(duì)流 垂直