【正文】 境條件下不超過標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。2022/2/3 1 產(chǎn)品的熱設(shè)計方法 2 介紹 ?為什么要進(jìn)行熱設(shè)計？ 高溫對電子產(chǎn)品的影響 ：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊點脫落。 溫度對元器件的影響 ：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高溫會使變壓器、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；溫度過高還會造成焊點合金結(jié)構(gòu)的變化 —IMC增厚，焊點變脆，機械強度降低；結(jié)溫的升高會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。最高允許溫度的計算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ) ,并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個元器件的失效率相一致。 4 概述 ?風(fēng)路的設(shè)計方法 ： 通過典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。 ?風(fēng)扇的基本定律及噪音的評估方法 ： 了解風(fēng)扇的基本定律及應(yīng)用；了解噪音的評估方法。 ?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。 5 風(fēng)路設(shè)計方法 ?自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計 ? 設(shè)計要點 ? 機柜的后門 (面板 )不須開通風(fēng)口。 ? 應(yīng)保證模塊后端與機柜后面門之間有足夠的空間。 ? 對散熱器采用直齒的結(jié)構(gòu) ,模塊放在機柜機架上后 ,應(yīng)保證散熱器垂直放置 ,即齒槽應(yīng)垂直于水平面。 6 風(fēng)路設(shè)計方法 ?自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計 ? 設(shè)計案例 7 風(fēng)路設(shè)計方法 ?自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計 ? 典型的自然冷機柜風(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)計方法 ?強迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計 ? 設(shè)計要點 ? 如果發(fā)熱分布均勻， 元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個發(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。 ? 進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。 14 熱設(shè)計的基礎(chǔ)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(dǎo)熱計算； (2) 熱面朝下，對氣體 1700,按導(dǎo)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 ) 107 (G r .P r )7000 (G r .P r ) 107 (G r .P r )1 / 41700 (G r .P r ) (G r .P r )0 . 4水平夾層 ( 熱面在下 )2 105 (G r .P r ) 107 (G r .P r )1 / 3( δ / h )1/96000 (G r .P r ) 2 105 (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)計的基礎(chǔ)理論 ?流體受迫流動換熱 ? 管內(nèi)受迫流動換熱 管內(nèi)受迫流動的特征表現(xiàn)為：流體流速、管子入口段及溫度場等因素對換熱的影響。這段距離稱為入口段 。在紊流時，如果管長與管內(nèi)徑之比L/d50則可忽略入口效應(yīng)，實際上多屬于此類情況。如數(shù)量以體積衡量稱為體積流量 Q；單位為 m3/s(CFM)；如數(shù)量用重量衡量稱為重量流量 G，單位為 Kg/s。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。 水力半徑 ：總流過過流斷面面積 A與濕周 x之比稱為水力半徑，應(yīng)符號R表示，單位 M。 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。 ? 層流、紊流與雷諾數(shù) 層流 ：流體質(zhì)點互不混雜，有規(guī)則的層流運動。 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 。 尼古拉茲采用人工粗糟管進(jìn)行試驗得出了沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式： 紊流光滑區(qū)： 4000Re105, λ 采用布拉修斯公式計算： λ ＝ 20 熱設(shè)計的基礎(chǔ)理論 ?流體動力學(xué)基礎(chǔ) ? 非園管道沿程阻力的計算 引入當(dāng)量水力半徑后所有園管的計算方法與公式均可適用非園管，只需把園管直徑換成當(dāng)量水力直徑。 21 散熱器的設(shè)計方法 ?散熱器冷卻方式的判據(jù) ? 對通風(fēng)條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于，可采用自然風(fēng)冷。 ?散熱器強迫風(fēng)冷方式的判據(jù) ? 對通風(fēng)條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于，必須采用強迫風(fēng)冷。 22 散熱器的設(shè)計方法 ?散熱器設(shè)計的步驟 通常散熱器的設(shè)計分為三步 1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計處輪廓圖。 3:進(jìn)行校核計算。 ? 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對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。 ? 由于自然對流達(dá)到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時熱負(fù)荷的沖擊，建議大于 5mm以上。 ? 增加散熱器的齒片數(shù)。對能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可到 2mm。 ? 當(dāng)風(fēng)速大于 1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。26 散熱器的設(shè)計方法 ?在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小 的方法 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 3 .532 .525 .0 m / s ( 1 0 0 0 )543 .32 .52 .5 m / s ( 5 0 0 )76541 .0 m / s ( 2 0 0 )13107 .56 .5自然冷卻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(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法 ?相似準(zhǔn)則數(shù)的定義 29 散熱器的設(shè)計方法 ?散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法 ?相似準(zhǔn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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。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(guān)。 ? 如果物體表面的溫度低于 50℃ ， 可不考慮輻射換熱的影響。 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。 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。 自然冷卻 強迫風(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(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(對流和輻射)強迫空氣冷卻強迫水冷37 熱設(shè)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(shè)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(shè)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(jù)圖 2查得，當(dāng)△ t=40℃ ， q=，其交點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。 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(fēng)機箱 WT=(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt +4σεTm3ΔT+1000uAΔT ? 對強迫通風(fēng)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(jìn)行自然冷卻設(shè)計計算。 通風(fēng)機箱的通風(fēng)面積計算 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)計的計算方法 ?自然冷卻時進(jìn)風(fēng)口面積的計算 在機柜的前面板上開各種形式的通風(fēng)孔或百葉窗，以增加空氣對流，進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計算： Sin=Q/( 105 H Δt ) s通風(fēng)口面積的大小， cm2 Q機柜內(nèi)總的散熱量， W H機柜的高度， 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)計的計算方法 ?強迫風(fēng)冷出風(fēng)口面積的計算 ? 模塊 有風(fēng)扇端的通風(fēng)面積 : Sfan=(φin2－ φhub2) 無風(fēng)扇端的通風(fēng)面積 S=() Sfan ? 系統(tǒng) 在后面板 (后門 )上與模塊層對應(yīng)的位置開通風(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 每一個模塊的進(jìn)風(fēng)面積 42 熱設(shè)計的計算方法 ?通風(fēng)面積計算的案例 [案例 ] 鐵道信號電源機柜模塊及系統(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℃ 計算，機柜實際寬度為 680mm，試計算每層進(jìn)出風(fēng)口的面積？ H按 2倍模塊的高度計算，即 H=2 7U=14U 進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計算： S