【正文】 流量 qm= = △ t= Q/qmCp= = ℃ 定性溫度： tf=(2ts+t1+t2)= (2 80+40+)/4= ℃ 按定性溫度查物性得： ρ １ ＝ ， Cp=℃ μ = 106kg/， Pr= 換熱系數(shù) 質(zhì)量流速 G=qm/Af = = 雷諾數(shù) Re=deG/μ = 103 ( 106)= 層流 J=6/Re =6/= 103 h= JGCpPr2/3= 103 ℃ 肋片效率 m=(2h/λδ)=(2 (180 ))= ml= = η f=th(ml)/ml=th()/= 傳熱單元數(shù) ： NTU＝ hη 0A/qmCp= = 冷板的表面溫度 ： Ts=(eNTUt2t1)/(eNTU1)= ℃ 70℃ 冷板設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。 確定是否滿足△ P[△ P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力 (如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等 )或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇 56 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?冷板的計(jì)算方法 ? 案例： 10KVA UPS 冷板散熱器，器件的損耗為 ，要求冷板散熱器臺(tái)面溫升小于 30℃ (在 40℃ 的環(huán)境溫度下 )。 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)。 50 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?型材散熱器的計(jì)算 ? 【 案例 】 散熱器 DXC616(天津鋁合金廠編號(hào) )，截面圖略，散熱器的截面積為 ，周長(zhǎng)為 ，單位長(zhǎng)度的重量為 21KG/m。L/de ? 實(shí)際所須風(fēng)量為： ? q`=Q/(△ t)=800/( 15)=? 按照 2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量： ? q=2q`=2 =? 下表風(fēng)扇為可選型號(hào) 兩只 吹 風(fēng)15 0 m3/h63 .7 P a15W47 15 M S 2 3 T B 5 0兩只 吹 風(fēng)118 C F M0. 33 i n. H 2 O8. 4 W47 15 K L － B 4045 熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法 ?型材散熱器的計(jì)算 ? 散熱器的熱阻 散熱器的熱阻是從大的方面包括三個(gè)部分 。 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)。 解 : 密封機(jī)箱的最大散熱量 QT =(Ss+4St/3+2Sb/3)Δ +4ζεTm3F輻射 Δ t ＝ ( + 4/3) 10 +4 10 8 ( + ) 3083 10 =+=Q=55W 顯然，密封機(jī)箱不能夠滿足散熱要求，需開(kāi)通風(fēng)口。 若設(shè)備的溫升有嚴(yán)格限制，假設(shè)只允許 10℃ ，由圖 2可以看出，需強(qiáng)迫風(fēng)冷才能滿足要求。 ? 冷卻方式的選擇方法 1:根據(jù)溫升在 40℃ 條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來(lái)確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖 1所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見(jiàn)。 ? 輻射換熱面積計(jì)算時(shí)，如表面 積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。 ? 對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻(xiàn)。因?yàn)榇藭r(shí)輻射波長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)，處于不可見(jiàn)的紅外區(qū)。 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。 ? 采用針狀齒的設(shè)計(jì)方式，增加流體的擾動(dòng)，提高散熱齒間的對(duì)流換熱系數(shù)。目前國(guó)際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到 23的高寬比，國(guó)內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到 8。 24 散熱器的設(shè)計(jì)方法 ?強(qiáng)迫冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法 ? 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于 。 ? 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。 23 散熱器的設(shè)計(jì)方法 ?自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法 ? 考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對(duì)流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于 12mm，如果散熱器齒高低于 10mm，可按齒間距 ≥ 。 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。 ? 對(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)合： 散熱器表面的熱流密度大于，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。 ? 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。 de=4A/x ? 局部阻力 hj＝ ξρV2/2 ξ －局部阻力系數(shù) 突然擴(kuò)大： 按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)： ζ 1＝ (1A1/A2) 按大面積流速計(jì)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(yàn)值。 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)。 Re=Vde/ν 2300 層流 紊流 ：流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜，無(wú)規(guī)則的紊流運(yùn)動(dòng)。 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。 ? 恒定流連續(xù)性方程 對(duì)不可壓縮流體： V1A1=V2A2. 對(duì)可壓縮流體 ： ρ 1V1A1=ρ 1V2A2 17 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) ? 恒定流能量方程 對(duì)理想流體 ： Z＋ p/γ+v2/2g=常數(shù) 實(shí)際流體 :由于粘性作為會(huì)引起流動(dòng)阻力，流體阻力與流體流動(dòng)方向相反作負(fù)功，使流體的總能量不斷衰減，每個(gè)斷面的 Z＋p/y+v2/2g≠ 常數(shù)，假設(shè)流體從斷面 1到斷面 2的能量損失為 hw，則元流的能量方程式為： Z1＋ p1/γ+v12/2g＝ Z2＋ p2/γ+v22/2g＋ hw 18 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) ? 流體流動(dòng)的阻力 :由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動(dòng)過(guò)程中受到阻力，這個(gè)阻力稱為流動(dòng)阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。用 x表示，單位m。二者的關(guān)系為： G=γ Q 斷面平均流速 ：由于流體的粘性，過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速分布不均勻，根據(jù)流量相等原則所確定的均勻流速稱為斷面平均流速。 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。入口段管內(nèi)流動(dòng)換熱系數(shù)是不穩(wěn)定的，所以計(jì)算平均對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)對(duì)入口段進(jìn)行修正。 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。 ? 風(fēng)道的設(shè)計(jì)原則 風(fēng)道盡可能短，縮短管道長(zhǎng)度可以降低風(fēng)道阻力； 盡可能采用直的錐形風(fēng)道，直管加工容易，局部阻力??； 風(fēng)道的截面尺寸和出口形狀，風(fēng)道的截面尺寸最好和風(fēng)扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長(zhǎng)方形； 9 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 ?強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 典型結(jié)構(gòu) 10 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 ?強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ? 電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu) 吹風(fēng)方式 交流配電單元直流配電單元 直流配電單元交流配電單元11 風(fēng)路設(shè)計(jì)方法 ?強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì) ?電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu) 抽風(fēng)方式 交流配電單元直流配電單元 直流配電單元交流配電單元12 熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論 ?自然對(duì)流換熱 ? 大空間的自然對(duì)流換熱 Nu=C()n. 定性溫度： tm=(tf+tw)/2 定型尺寸按及指數(shù)按下表選取 表面形狀及位置 C、n值 定型尺寸 適用范圍 流態(tài) C n垂直平壁及垂直圓柱 層流 1月4日 高度h 104109紊流 1月3日 1091013水平圓柱 層流 圓柱外徑D 102102 102104 104107紊流 1月3日 1071012熱面朝上或冷面朝下的水平壁 層流 1月4日 矩形取兩個(gè)邊長(zhǎng) 21048106紊流 1月3日 的平均值，非規(guī)則 81081011熱面朝下或冷面朝上的水平壁 層流 1月5日 形狀取面積與周長(zhǎng)之比， 1051011紊流 13 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 垂直封閉夾層的自然對(duì)流換熱問(wèn)題分為三種情況： (1) 在夾層內(nèi)冷熱壁的兩股流道邊界層能夠相互結(jié)合，形成環(huán)流； (2) 夾層厚度 δ 與高度之比 δ /h，冷熱的自然對(duì)流邊界層不會(huì)相互干擾，也不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，可按大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算方法分別計(jì)算冷熱的自然對(duì)流換熱； (3) 冷熱壁溫差及厚度均較小，以厚度為定型尺寸的 Gr=(Bg△ t δ 3)/υ 32022時(shí)，通過(guò)夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過(guò)程計(jì)算。 ? 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。對(duì)散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu) ,除每個(gè)模塊機(jī)箱前面板應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口外 ,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口。 ? 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。 ? 底部或側(cè)面不能漏風(fēng)。 ?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。 ?海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策： 了解海拔高度對(duì)風(fēng)扇性能的影響、海拔高度對(duì)散熱器及元器件的影響，了解在熱設(shè)計(jì)如何考慮海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的影響。 ?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。 ?在本次講座中將學(xué)到那些內(nèi)容 風(fēng)路的布局方法、產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法、風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法、海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策、熱仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。 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)