艾默生電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)規(guī)范.doc

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范編碼：版本：V2.0密級：秘密艾默生網(wǎng)絡(luò)能源研發(fā)部執(zhí)筆人：李泉明頁碼：第 49 頁 共 49 頁電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)規(guī)范2004/05/01 發(fā)布 2004/05/01 實(shí)施 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司修訂信息表版本修訂人修訂時間修訂內(nèi)容新擬制李泉明1999年01月01日V2.0李泉明2004年05月01日更改模板，增加部分新內(nèi)容，重新在結(jié)構(gòu)室規(guī)范下歸檔目錄目錄3前言51目的62 適用范圍63 關(guān)鍵術(shù)語64引用/參考標(biāo)準(zhǔn)或資料85 規(guī)范內(nèi)容85.1 遵循的原則85.2 產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要求95.2.1產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)95.2.2 元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)95.3 系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)95.3.1 常見系統(tǒng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)95.3.2 系統(tǒng)通風(fēng)面積的計(jì)算165.3.3 系統(tǒng)前門及防塵網(wǎng)對系統(tǒng)散熱的影響175.4 模塊級的熱設(shè)計(jì)175.4.1 模塊損耗的計(jì)算方法175.4.2 機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)175.4.2.1 機(jī)箱的選材175.4.2.2 模塊的通風(fēng)面積175.4.2.3 機(jī)箱的表面處理185.5 單板級的熱設(shè)計(jì)185.5.1 選擇功率器件時的熱設(shè)計(jì)原則185.5.2 元器件布局的熱設(shè)計(jì)原則185.5.3 元器件的安裝195.5.4 導(dǎo)熱介質(zhì)的選取原則195.5.5 PCB板的熱設(shè)計(jì)原則205.5.6 安裝PCB板的熱設(shè)計(jì)原則225.5.7 元器件結(jié)溫的計(jì)算225.6 散熱器的選擇與設(shè)計(jì)255.6.1散熱器需采用的強(qiáng)迫冷卻方式的判別255.6.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)265.6.3 風(fēng)冷散熱器的輻射換熱考慮285.6.4 海拔高度對散熱器的設(shè)計(jì)要求285.6.5 散熱器散熱量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式285.6.6強(qiáng)化散熱器散熱效果的措施295.7風(fēng)扇的選擇與安裝的熱設(shè)計(jì)原則295.7.1多個風(fēng)扇的安裝位置295.7.2風(fēng)扇與最近障礙物間的距離要求295.7.3消除風(fēng)扇SWIRL影響的措施305.7.4抽風(fēng)條件下對風(fēng)扇選型的限制315.7.5降低風(fēng)扇噪音的原則315.7.6解決海拔高度對風(fēng)扇性能影響的措施325.7.7確定風(fēng)扇型號的方法335.7.8吹風(fēng)與抽風(fēng)方式的選擇原則335.7.9延長風(fēng)扇壽命與降低風(fēng)扇噪音的措施345.7.10風(fēng)扇的串列與并聯(lián)345.8防塵對產(chǎn)品散熱的影響375.8.1抽風(fēng)方式的防塵措施375.8.2吹風(fēng)方式下的防塵措施375.8.3防塵網(wǎng)的選擇方法376 產(chǎn)品的熱測試386.1 進(jìn)行產(chǎn)品熱測試的目的386.2熱測試的種類及所用的儀器、設(shè)備386.2.1溫度測試386.2.2速度測量396.2.3流體壓力的測量407 附錄427.1 元器件的功耗計(jì)算方法427.2 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法447.3 冷板散熱器的計(jì)算方法457.4 強(qiáng)迫風(fēng)冷產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)檢查模板48前言 本規(guī)范由艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司研發(fā)部發(fā)布實(shí)施，適用于本公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)及相關(guān)活動。本規(guī)范替代以前公司的同名規(guī)范，老版本的同名規(guī)范一律廢除。本規(guī)范更換了新的模板，并根據(jù)公司產(chǎn)品開發(fā)需求的變化及已積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)增加了新的內(nèi)容。本規(guī)范由我司所有的產(chǎn)品開發(fā)部門遵照執(zhí)行。本規(guī)范于 2004/05/01 批準(zhǔn)發(fā)布；本規(guī)范擬制部門： 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中心 ；本規(guī)范擬制人： 李泉明 ；審核人： 張士杰 ；本規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化審查人：數(shù)據(jù)管理中心；本規(guī)范批準(zhǔn)人：研發(fā)管理辦；1目的建立一個電子設(shè)備在強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的熱設(shè)計(jì)規(guī)范，以保證設(shè)備內(nèi)部的各個元器件如開關(guān)管、整流管、IPM模塊、整流橋模塊、變壓器、濾波電感等的工作溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而保證電子設(shè)備在設(shè)定的環(huán)境條件下穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行。2 適用范圍本熱設(shè)計(jì)規(guī)范適用于強(qiáng)迫風(fēng)冷電子設(shè)備設(shè)計(jì)與開發(fā)，主要應(yīng)用于以下幾個方面：l 機(jī)殼的選材l 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局l 器件的選擇l 散熱器的設(shè)計(jì)與選用l 通風(fēng)口的設(shè)計(jì)、風(fēng)路設(shè)計(jì)l 熱路設(shè)計(jì)l 選擇風(fēng)扇3 關(guān)鍵術(shù)語3.1 熱環(huán)境設(shè)備或元器件的表面溫度、外形及黑度，周圍流體的種類、溫度、壓力及速度，每一個元器件的傳熱通路等情況3.2 熱特性設(shè)備或元器件溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。3.3導(dǎo)熱系數(shù)( w/m.k)表征材料熱傳導(dǎo)性能的參數(shù)指標(biāo)，它表明單位時間、單位面積、負(fù)的溫度梯度下的導(dǎo)熱量。3.4 對流換熱系數(shù)（ w/m2.k）對流換熱系數(shù)反映了兩種介質(zhì)間對流換熱過程的強(qiáng)弱，表明了當(dāng)流體與壁面間的溫差為1時，在單位時間通過單位面積的熱量。3.5 熱阻(/w)反映介質(zhì)或介質(zhì)間傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小。 3.6流阻(Pa) 流阻反映了流體流過某一通道時所產(chǎn)生的壓力差。3.7 雷諾數(shù)（Re）雷諾數(shù)的大小反映了流體流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準(zhǔn)則。3.8 普朗特?cái)?shù)(Pr)普朗特?cái)?shù)是說明流體物理性質(zhì)對換熱影響的相似準(zhǔn)則。3.9 格拉曉夫數(shù)(Gr)格拉曉夫數(shù)反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對大小，是說明自然對流換熱強(qiáng)度的一個相似準(zhǔn)則。3.10 定性溫度確定對流換熱過程中流體物理性質(zhì)參數(shù)的溫度。3.11 肋片的效率表示某擴(kuò)展表面單位面積所能傳遞的熱量與同樣條件下光壁所能傳遞的熱量之比。3.12 黑度實(shí)際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。3.13 努謝爾特?cái)?shù)Nu(Nusseltl)反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強(qiáng)弱，是一個說明對流換熱強(qiáng)弱的相似準(zhǔn)則。3.14 傳熱單元數(shù)NTU為無因次量，其數(shù)值反映了在給定條件下所需傳熱面積的大小，是一個反映冷板散熱器綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的指標(biāo)。3.15 冷板的傳熱有效度E衡量冷板散熱器在傳遞熱量方面接近于理想傳熱狀況的程度，它定義為冷板散熱器的實(shí)際傳熱量和理論傳熱量之比，為無因次量3.16 防塵網(wǎng)的阻力防塵網(wǎng)對氣流形成阻力。防塵網(wǎng)積灰，阻力增加，當(dāng)阻力增大到某一規(guī)定值時，過濾器報(bào)廢。新防塵網(wǎng)的阻力稱“初阻力”；對應(yīng)防塵網(wǎng)報(bào)廢的阻力值稱“終阻力”。設(shè)計(jì)時，常需要一個有代表性的阻力值，以核算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量，這一阻力值稱“設(shè)計(jì)阻力，慣用的方法是取初阻力與終阻力的平均值。3.17 外部環(huán)境溫度的定義自冷時指距設(shè)備各主要表面80mm處的溫度平均值；強(qiáng)迫風(fēng)冷（使用風(fēng)扇）時指距離空氣入口80200mm截面的溫度平均值。3.18 機(jī)箱表面的溫度定義機(jī)箱表面溫度指在機(jī)箱各表面幾何中心處的溫度。 3.19 設(shè)備風(fēng)道的進(jìn)、出口風(fēng)溫的定義冷卻空氣入口、出口溫度指在入口或出口處與風(fēng)速方向垂直的截面內(nèi)各點(diǎn)溫度的平均值。3.20 冷板散熱器 指采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片工藝成型的齒間距較密，寬高比較大的散熱器。4引用/參考標(biāo)準(zhǔn)或資料下列標(biāo)準(zhǔn)包含的條文，通過在本標(biāo)準(zhǔn)中引用而構(gòu)成本標(biāo)準(zhǔn)的條文。在標(biāo)準(zhǔn)出版時，所示版本均為有效。所有標(biāo)準(zhǔn)都會被修訂，使用本標(biāo)準(zhǔn)的各方應(yīng)探討使用下列標(biāo)準(zhǔn)最新版本的可能性。GBxxxxx-89 電力半導(dǎo)體器件用散熱器使用導(dǎo)則GB11456-89 電力半導(dǎo)體器件用型材散熱器技術(shù)條件GJB/Z27-92 國家軍用標(biāo)準(zhǔn)匯編,電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)手冊 GB/T 12992-91 電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷熱特性測試方法GB/T 12993-91 電子設(shè)備熱性能評定電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊TS-S0E0199001 電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)規(guī)范分散式散熱產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)規(guī)范5 規(guī)范內(nèi)容5.1 遵循的原則5.1.1進(jìn)行產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時進(jìn)行，平衡熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)各種需求。5.1.2 熱設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公司標(biāo)準(zhǔn)。5.1.3 熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性要求，以保證設(shè)備內(nèi)的元器件均能在設(shè)定的熱環(huán)境中正常工作，并保證達(dá)到設(shè)定的MTBF指標(biāo)。5.1.4 各個元器件的參數(shù)選擇、安裝位置與方式必須符合散熱要求。5.1.4.1元器件的發(fā)熱表面與散熱表面之間的接觸熱阻應(yīng)盡可能小。5.1.4.2 根據(jù)元器件的損耗大小及溫升要求確定是否加裝散熱器。5.1.4.3 在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)(如風(fēng)扇等)的故障率應(yīng)比元件的故障率低。5.1.5 模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護(hù)回路以及風(fēng)速調(diào)節(jié)回路，以提高系統(tǒng)的可靠性。5.1.6 在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)冗余，以避免在使用過程中因工況發(fā)生變化而引起的熱耗散及流動阻力的增加。5.1.7 熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在保證散熱的前提下使其結(jié)構(gòu)簡單、可靠且體積最小、成本最低。5.1.8 冷卻系統(tǒng)要便于測試與維護(hù)。5.1.9 采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的條件：在常壓下，強(qiáng)迫風(fēng)冷的應(yīng)用范圍為0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2采用自然冷卻，大于0.31 w/cm2須采用水冷或其它表面冷卻。5.2 產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要求5.2.1產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)5.2.1.1 散熱器的表面溫度最高處的溫升應(yīng)小于45. 5.2.1.2 模塊內(nèi)部空氣的平均溫升應(yīng)小于20。5.2.2 元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)符合TS-S0A0204001器件應(yīng)力降額規(guī)范，具體指標(biāo)如下：5.2.2.1 功率器件的工作結(jié)溫應(yīng)小于最大結(jié)溫的(0.5-0.8)倍 對額定結(jié)溫為175的功率器件, 工作結(jié)溫小于140. 對額定結(jié)溫為150的功率器件, 工作結(jié)溫小于120. 對額定結(jié)溫為125的功率器件, 工作結(jié)溫小于100. 5.2.2.2 碳膜電阻120 金屬膜電阻100壓制線繞電阻 150 涂剝線繞電阻 225 5.2.2.3 變壓器、扼流圈表面溫度 A級 90 B級 110 F級 150 H級 180 5.2.2.4 電容器的表面溫度 紙質(zhì)電容器 75-85 電解電容器 65-80 薄膜電容器 75-85 云母電容器 75-85 陶瓷電容器 75-855.3 系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)5.3.1 常見系統(tǒng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)5.3.1.1系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)的一些基本原則：l 盡量采用直通風(fēng)道，避免氣流的轉(zhuǎn)彎。在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方，應(yīng)采用導(dǎo)風(fēng)板使氣流逐漸轉(zhuǎn)向，使壓力損失達(dá)到最小。l 盡量避免驟然擴(kuò)展和驟然收縮。l 進(jìn)、出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，防止氣流短路。l 在機(jī)柜的面板、側(cè)板、后板沒有特別要求一般不要開通風(fēng)孔，防止氣流短路。圖1系統(tǒng)布局要點(diǎn)示意圖l 為避免上游的熱量回流到下游，影響其散熱，可以采用獨(dú)立風(fēng)道，分開散熱。l 風(fēng)道設(shè)計(jì)應(yīng)保證系統(tǒng)各個區(qū)域散熱均勻，避免在回流區(qū)和低速區(qū)產(chǎn)生熱點(diǎn)。l 并聯(lián)風(fēng)道應(yīng)根據(jù)各風(fēng)道散熱量的要求分配風(fēng)量, 避免風(fēng)道阻力不合理布局。l 要避免風(fēng)道的高低壓區(qū)的短路。l 最大損耗的元器件應(yīng)靠近出風(fēng)口。 l 保證進(jìn)、出風(fēng)口面積大于風(fēng)扇的通風(fēng)面積。 l 保證空氣流通并能夠以較大的風(fēng)速流過較熱的區(qū)域。l 避免在兩個熱點(diǎn)之間用一個小風(fēng)扇來冷卻。l 溫度敏感的元器件應(yīng)盡量靠近風(fēng)扇入口。l 盡可能采用吹風(fēng)以防止灰塵聚積。 l 盡可能采用空隙率較大的防塵網(wǎng)以減小阻力。 l 高熱器件的位置要求 如果不能消除SWIRL的影響，即無法保證流出風(fēng)扇框的流場是近似均勻的流場，則必須避免布置高熱器件在流場的旋渦區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域風(fēng)速最小。5.3.1.2一些典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)風(fēng)道1風(fēng)道2最簡單的鼓風(fēng)風(fēng)道，由機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)，可由機(jī)柜頂部出風(fēng)。如果要求防滴落，可在頂部加蓋板，側(cè)出風(fēng)，或頂部安裝金屬絲網(wǎng)?？拷L(fēng)扇的區(qū)域換熱效果最佳，由于風(fēng)道必然存在漏風(fēng)，而且離風(fēng)扇較遠(yuǎn)處流場分布已較均勻，所以上區(qū)域的風(fēng)速相對較低，換熱比較弱，而且下面區(qū)域的熱量將帶入上插框。由于機(jī)柜內(nèi)為正壓，灰塵不會從縫隙進(jìn)入機(jī)柜。最簡單的抽風(fēng)風(fēng)道，由機(jī)柜底部進(jìn)風(fēng)。流場分布均勻，各區(qū)域換熱強(qiáng)度相差不大。但如果風(fēng)道中有較大的縫隙，則會形成氣流部分短路，下面區(qū)域的通風(fēng)量將大大降低。下面區(qū)域的熱量依然被帶入上面的區(qū)域。機(jī)柜內(nèi)為負(fù)壓，灰塵將通過縫隙進(jìn)入機(jī)柜。風(fēng)道3風(fēng)道4風(fēng)扇框串聯(lián)風(fēng)道，適用于機(jī)柜風(fēng)阻較大的情況?？拷L(fēng)扇出風(fēng)口的部分換熱最強(qiáng)烈，但要注意風(fēng)扇的HUB附近將形成回流死區(qū)。中間插框由于上下風(fēng)扇串聯(lián)，氣流不能充分?jǐn)U散，靠近拉手條和母板的部分風(fēng)速會比較低，宜將發(fā)熱元器件與熱敏元器件布于單板的中間。如果單板較深，根據(jù)需要在深度方向上可采用兩排風(fēng)扇。風(fēng)扇也可分別置于機(jī)柜的頂部和底部，但噪音將比置于插框間大。插框獨(dú)立抽風(fēng)散熱風(fēng)道，適用于各框散熱量都比較大的情況，各插框散熱互不干擾。機(jī)柜由開孔前門進(jìn)風(fēng)，頂插框可以上出風(fēng)，下面的插框后出風(fēng)。采用軸流風(fēng)扇時，出風(fēng)直接受阻擋，風(fēng)阻較大。如果機(jī)柜不宜做得較深，必須在后門開孔，并且機(jī)柜離墻有足夠的距離；如果機(jī)柜可以做得較深，可以在后門與母板間流出足夠?qū)挾鹊目臻g作為風(fēng)道，將風(fēng)從機(jī)柜頂部排出，由于風(fēng)道多次垂直轉(zhuǎn)彎，將形成較大的風(fēng)阻，宜在后風(fēng)道安裝導(dǎo)風(fēng)裝置或采用離心風(fēng)扇。注意，由于進(jìn)風(fēng)為水平方向，單板的右上區(qū)（拉手條端）將形成回流區(qū)，此處不宜布置熱流量較高的元件和熱敏元件。風(fēng)道5風(fēng)道6自然對流獨(dú)立散熱風(fēng)道，與風(fēng)道4類似，無風(fēng)扇，機(jī)柜出風(fēng)口在后門的頂部。插框進(jìn)出風(fēng)口的大小根據(jù)發(fā)熱量和插框高度而定。機(jī)柜后面的風(fēng)道要求有足夠的寬度，根據(jù)具體設(shè)計(jì)而定。如果機(jī)柜中有的插框需要風(fēng)扇冷卻，有的插框自然散熱即可（如發(fā)熱量不大的電源模塊框），則采用獨(dú)立風(fēng)道的方式，結(jié)合風(fēng)道4與風(fēng)道5，均可滿足要求。這樣可以減少風(fēng)扇，降低噪音與成本。為LUCENT寬帶傳輸?shù)臋C(jī)柜風(fēng)道，與風(fēng)道4、5類似，插框獨(dú)立散熱。兩個子框采用鼓風(fēng)方式，最下面的插框自然散熱。風(fēng)扇斜放的角度盡量大于45，避免風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)不利和產(chǎn)生較大的噪音。風(fēng)扇前面的斜板為防塵板，在這里安置防塵板，可以增加防塵面積，減小阻力，均化流場。如圖可見，采用鼓風(fēng)方式的獨(dú)立風(fēng)道將大大增加機(jī)柜高度。風(fēng)道7風(fēng)道8為風(fēng)道6的改進(jìn)版，將風(fēng)扇框與出風(fēng)口作為一體，可節(jié)省高度空間，斜板還有導(dǎo)風(fēng)作用。注意對于常用的直徑120的風(fēng)扇，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)扇框的高度將達(dá)3U，比風(fēng)道4中的一體化風(fēng)扇框高1U，但局部散熱效果應(yīng)比風(fēng)道4的情況好，適用于散熱元器件比較集中且分布在風(fēng)量集中區(qū)域的情況。風(fēng)扇也可平放，高度可降低為2U，但噪音與進(jìn)風(fēng)會受一定影響。利用斜擋板將上下風(fēng)道分為兩個部分獨(dú)立散熱，由于風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)口沒有受到直接阻擋，其風(fēng)阻將比風(fēng)道4、7的情況要小，而且插框的流場均勻，無回流低速區(qū)?？筛鶕?jù)風(fēng)阻情況增加風(fēng)扇框。在富士通和三菱電機(jī)的寬帶CDMA樣機(jī)中均采用類似風(fēng)道結(jié)構(gòu)，但風(fēng)扇框直接放在進(jìn)風(fēng)口上面，噪音會比較大，但鼓風(fēng)換熱強(qiáng)度高，這種方式進(jìn)風(fēng)量會受一定影響。風(fēng)道9風(fēng)道10此為CISCO 12016的系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)。頂框?yàn)殡娫纯?，自帶風(fēng)扇前后通風(fēng)。下面有三個插框，風(fēng)道的頂部與底部各有一個風(fēng)扇框，采用離心風(fēng)扇后排風(fēng)，風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口前有一定高度的靜壓腔使各單板送風(fēng)均勻。由中間插框的前面板進(jìn)風(fēng)，裝有防塵網(wǎng)。這種風(fēng)道將上下框的散熱量分開，避免了熱量的疊加，直接利用插框高度作為進(jìn)風(fēng)口，節(jié)省了機(jī)柜的高度空間。此為CISCO 7513的系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)。底部為電源模塊，自帶風(fēng)扇前后通風(fēng)。頂部為離心風(fēng)扇，向單板區(qū)抽風(fēng)冷卻，由機(jī)箱后下方進(jìn)風(fēng)，經(jīng)機(jī)箱前面深約200的風(fēng)道向前下方排出。風(fēng)道11風(fēng)道12Motorola CPX8216機(jī)箱風(fēng)道。采用可變速軸流風(fēng)扇鼓風(fēng)，風(fēng)扇豎放，風(fēng)扇的出風(fēng)口處裝有導(dǎo)風(fēng)葉片，將氣流按系統(tǒng)熱量分布分為三個部分，一部分冷卻電源模塊，一部分冷卻后插單板部分和前插單板的后半部分，一部分冷卻前插單板靠近拉手條的發(fā)熱元器件。這種設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)量合理分配。這是典型的機(jī)箱通風(fēng)風(fēng)道設(shè)計(jì)，采用離心風(fēng)扇抽風(fēng)，向后排出，進(jìn)風(fēng)口在機(jī)箱前下方。威圖和國外一些產(chǎn)品都采用這種風(fēng)道。我們目前掌握的離心風(fēng)扇資料中沒有合適的型號可用于這種設(shè)計(jì)，主要因?yàn)殡x心風(fēng)機(jī)的風(fēng)量過小，尺寸大，噪音也大。風(fēng)道13風(fēng)道14風(fēng)道12中如果沒有合適的離心風(fēng)扇型號可選，可用軸流風(fēng)扇豎放代替，但風(fēng)扇模塊將占用較大高度空間。如果機(jī)箱高度有限制，可將風(fēng)扇平放，但風(fēng)扇出風(fēng)口上方還是得留有一定出風(fēng)空間，至少40mm，如風(fēng)道4中的風(fēng)扇框一樣，這種方式風(fēng)阻較大，對風(fēng)量有一定影響，需要采用較大尺寸風(fēng)扇。鼓風(fēng)式的機(jī)箱風(fēng)道設(shè)計(jì)在Motorola的一些產(chǎn)品中可以見到。鼓風(fēng)的換熱強(qiáng)度比抽風(fēng)時高，但送風(fēng)不均勻，在風(fēng)扇中心和風(fēng)扇之間都存在回流死區(qū)，要警惕這些死區(qū)的存在，將發(fā)熱芯片布置在氣流集中的地方。將風(fēng)扇出風(fēng)口和單板保持50mm的距離，可使流場均勻，但將增加高度空間。另外，風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口距離底板較近，會產(chǎn)生較大噪音，進(jìn)風(fēng)也受障礙，所以應(yīng)盡量加大距離，距下壁面至少40mm。風(fēng)道15風(fēng)道16Motorola曾在其基站產(chǎn)品中采用這種風(fēng)道設(shè)計(jì)，進(jìn)風(fēng)口在機(jī)柜上前方，在機(jī)柜底部采用兩個大離心風(fēng)扇抽風(fēng)，并向前方排出。這種通風(fēng)方式與自然對流的方向背道而弛，主要是考慮避免高速氣流正對人吹。另外向機(jī)柜前方出風(fēng)，避免了后出風(fēng)時靠墻安裝所遇到的阻力。風(fēng)道16為我司典型的模塊風(fēng)冷、機(jī)柜自冷的電源系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，采用并聯(lián)風(fēng)道,每一個單元都進(jìn)行單獨(dú)通風(fēng)冷卻，單元通風(fēng)可以是吹風(fēng)或抽風(fēng)。如果沒有前維護(hù)的需求，系統(tǒng)的出風(fēng)口可以在后門板上，位置最好直對風(fēng)扇，頂部可以密封；如果有前維護(hù)的需求，后門板不能出風(fēng)，則需利用系統(tǒng)的“煙囪”效應(yīng)，從頂部出風(fēng)。如果系統(tǒng)有門，系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口必須正對模塊，其通風(fēng)面積按5.3.2計(jì)算。如果系統(tǒng)有前維護(hù)的要求，需采用頂部出風(fēng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)其它部分的密封是必須的，以防止風(fēng)道短路及對上層配電元器件的影響。 圖2 典型系統(tǒng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意圖5.3.2 系統(tǒng)通風(fēng)面積的計(jì)算通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為： S(1.5-2.0)(NS模塊)(1)S模塊-系統(tǒng)通風(fēng)面積 ，m2N-每層模塊的總數(shù) S模塊-每一個模塊的通風(fēng)面積, m25.3.3 系統(tǒng)前門及防塵網(wǎng)對系統(tǒng)散熱的影響 如果前門的進(jìn)風(fēng)口位置滿足要求，并且進(jìn)風(fēng)面積足夠，一般來講，開門與關(guān)門有約2-5差異。 如果需在系統(tǒng)上加防塵網(wǎng)，即使采用粗效的防塵網(wǎng)，也將帶來5-10的差異。5.4 模塊級的熱設(shè)計(jì)5.4.1 模塊損耗的計(jì)算方法模塊的損耗可由下式計(jì)算. Pdiss=(1/-1)Pout(2)Pdiss - 模塊的損耗,W Pout-模塊的輸出功率,W-模塊的效率功率損耗Pdiss是由于發(fā)熱器件的發(fā)熱而引起的，這些發(fā)熱器件包括開關(guān)管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二極管及FRED），濾波電感，變壓器以及開關(guān)管的驅(qū)動等。5.4.2 機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)5.4.2.1 機(jī)箱的選材 如果需利用模塊的機(jī)箱作為散熱器，則模塊機(jī)箱必須選用鋁合金材料，且模塊內(nèi)壁不得進(jìn)行拉絲處理，材料的厚度不得低于1.5mm。 如果不利用機(jī)箱進(jìn)行散熱，則模塊機(jī)箱選材不受限制。5.4.2.2 模塊的通風(fēng)面積5.4.2.2.1風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積 無論是抽風(fēng)還是吹風(fēng)方式，安裝風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積即為風(fēng)扇的流通面積，按下式計(jì)算： SK0.785(Dout2-DHUB2) (3) S-風(fēng)扇側(cè)機(jī)箱的通風(fēng)面積，m2 k-冗余系數(shù)，取1.1-1.2 Dout 風(fēng)扇框的內(nèi)直徑，m DHUB 風(fēng)扇中心HUB的直徑，m 5.4.2.2.2 非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積如果抽風(fēng)風(fēng)扇，非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積大于等于風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積 。如果吹風(fēng)風(fēng)扇，考慮到空氣受熱體積膨脹的因素，非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積=(1.5-2.0)風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積 。5.4.2.3 機(jī)箱的表面處理從熱設(shè)計(jì)角度，無論機(jī)箱還是散熱器，不推薦表面進(jìn)行任何處理，額外的表面處理對散熱貢獻(xiàn)較小，卻增加了產(chǎn)品成本。5.5 單板級的熱設(shè)計(jì)5.5.1 選擇功率器件時的熱設(shè)計(jì)原則5.5.1.1 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用允許結(jié)溫Tj高的功率器件（根據(jù)供應(yīng)商手冊提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選）。5.5.1.2 在其它性能參數(shù)相同的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用結(jié)殼熱阻Rjc較小的功率器件(根據(jù)供應(yīng)商手冊提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選)。5.5.1.3 在其它性能參數(shù)相同的情況下，優(yōu)先選用封裝尺寸較大的功率器件(根據(jù)供應(yīng)商手冊提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選)，以減小器件與散熱器間的接觸熱阻Rcs。5.5.1.4 對于MOSFET器件,在結(jié)殼熱阻Rjc相近的條件下，應(yīng)優(yōu)先選用25下RD(ON)較小的器件。5.5.1.5 對于IGBT器件，在結(jié)殼熱阻Rjc相近的條件下，應(yīng)優(yōu)先選用相同門極電阻下開關(guān)能量較小的器件。 5.5.2 元器件布局的熱設(shè)計(jì)原則5.5.2.1 一般性原則，如圖3所示 圖3 元器件布局原則示意圖l 最大損耗的元器件應(yīng)靠近PCB邊緣。 l 保證空氣流通并能夠以較大的風(fēng)速流過較熱的區(qū)域。l 溫度敏感的元器件應(yīng)盡量靠近進(jìn)風(fēng)口。l 高、大的元器件如電磁元件、電容等不能夠?qū)饬餍纬勺钃?。l 如果不能消除SWIRL的影響，即無法保證流出風(fēng)扇框的流場是近似均勻的流場，則必須避免布置高熱器件在流場的旋渦區(qū)域，因?yàn)樵搮^(qū)域風(fēng)速最小。l 散熱器的安裝方向：要保證散熱器齒槽方向與風(fēng)向平行 l 散熱器周圍與其它元器件的距離推薦小于10mm。5.5.3 元器件的安裝 元器件的安裝應(yīng)盡量減少元器件殼與散熱器表面間的熱阻，即接觸熱阻。5.5.3.1 為盡量減小傳導(dǎo)熱阻，應(yīng)采用短通路，即盡可能避免采用導(dǎo)熱板或散熱塊把元器件的熱量引到散熱器表面，而元器件直接貼在散熱器表面則是最經(jīng)濟(jì)、最可靠、最有效的散熱措施。5.5.3.2 為了改善器件與散熱器接觸面的狀況，應(yīng)在接觸面涂導(dǎo)熱介質(zhì)，常用的導(dǎo)熱介質(zhì)有導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅油、熱絕緣膠等。5.5.3.3 對器件須與散熱器絕緣的情況，采用的絕緣材料應(yīng)同時具有良好的導(dǎo)熱性能，且能夠承受一定的壓力而不被刺穿，詳見5.5.4。5.5.3.4把器件裝配在散熱器上時，應(yīng)嚴(yán)格按照我司TS-S0E0102012大功率管安裝設(shè)計(jì)工藝規(guī)范中提供的安裝壓力或力矩進(jìn)行裝配，壓力不足會使接觸熱阻增加，壓力過大會損壞器件,。5.5.3.5 將大功率混合微型電路芯片安裝在比芯片面積大的鉬片上。5.5.3.6 對于多層印制線路板，應(yīng)利用電鍍通孔來減少通過線路板的傳導(dǎo)熱電阻。這些小孔就是熱通路或稱熱道。5.5.3.7 當(dāng)利用接觸界面導(dǎo)熱時，采用下列措施使接觸熱阻減到最小。5.5.3.7.1 盡可能增大接觸面積。5.5.3.7.2 確保接觸表面平滑。5.5.3.7.3 利用軟材料接觸。5.5.3.7.4 扭緊所有螺栓以加大接觸壓力(注意不應(yīng)殘留過大應(yīng)力)。5.5.3.7.5 利用合理的緊固件設(shè)計(jì)來保證接觸壓力均勻。5.5.4 導(dǎo)熱介質(zhì)的選取原則為了解決功率器件與散熱器間的電氣絕緣問題，功率器件與散熱器間應(yīng)加導(dǎo)熱絕緣材料，考慮到性價比，在散熱條件不是很惡劣，如功率器件損耗較小或功率器件處于有利的通風(fēng)位置時，可選用通用的導(dǎo)熱絕緣材料SP400，其它條件下可選用散熱性能較好的SP900S，只有在特殊情況下，才允許選用SP2000。其性能參數(shù)如表1所示表1 常用熱界面材料性能參數(shù)表材料Sil-pad2000Sil-pad900SSil-pad400陶瓷基片材料厚度(mm)0.250.0250.230.0250.230.0250.630.025導(dǎo)熱系數(shù)W/m.k3.51.60.927單位面積熱阻-cm2/W1.292.64.61.2使用溫度-60180-60180-60180-60180材料構(gòu)成硅橡膠/玻璃纖維硅橡膠/玻璃纖維硅橡膠/聚脂薄膜陶瓷三氧化二鋁實(shí)測熱阻值0.40.60.90.35實(shí)測熱阻值是在采用TO247封裝，在緊固壓力為12Kg.cm下測得的。5.5.4.1 由于陶瓷基片在安裝時容易碎裂，所以不推薦使用陶瓷基片。5.5.4.2 對于輸出部分，由于總是處于出風(fēng)口的位置，一方面通過其功率管表面及散熱器表面的風(fēng)均為熱風(fēng)，另外輸出二極管部分后面總會有輸出共模電感或差模電感之類的體積較大的器件，影響出風(fēng)，所以該部分的散熱條件總是比較惡劣，為了減小散熱器的壓力，可考慮采用散熱器懸浮的方法去掉功率管與散熱器間的導(dǎo)熱絕緣膜，使功率管直接貼在散熱器上。5.5.4.3 為了便于安裝，導(dǎo)熱絕緣膜可考慮選用單面背膠的方法解決導(dǎo)熱絕緣膜的定位問題，即先將導(dǎo)熱絕緣膜粘在安裝位置，再進(jìn)行功率管的安裝與緊固。但必須注意，導(dǎo)熱絕緣膜背膠會增加其熱阻，由于膠不是良好的導(dǎo)熱介質(zhì)，一般情況下，熱阻會增加3040，所以，在熱設(shè)計(jì)時需考慮該部分的冗余。5.5.4.4 我司推薦的大部分導(dǎo)熱絕緣材料均采用硅橡膠為基體，質(zhì)地較軟，因此，在安裝時不需要涂硅脂；只有少數(shù)材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等質(zhì)地比較硬的材料必須涂硅脂，要求硅脂必須涂敷均勻，硅脂層厚度小于0.15mm。5.5.5 PCB板的熱設(shè)計(jì)原則PCB板熱設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是有效地把印制板上的熱引導(dǎo)到外部(散熱器和大氣中)。5.5.1 印制線的載流容量和溫升設(shè)計(jì)印制板時要保證印制線的載流容量，印制線的寬度必須適于電流的傳導(dǎo)，不能引起超過允許的溫升和壓降。在實(shí)際應(yīng)用中，常有較大電流流過輸出端銅箔，如果輸出銅箔設(shè)計(jì)的過細(xì)，則會導(dǎo)致銅箔的溫度上升。印制電路板的材料、導(dǎo)電銅箔的厚度、容許溫升將影響到銅箔厚度應(yīng)該多寬、能承受多大電流。一般對1盎司的環(huán)氧玻璃板，如果允許溫升小于10(考慮到系統(tǒng)內(nèi)部的環(huán)境溫度可能超過70) ，則一般可按1A電流取1mm寬銅箔的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行銅箔設(shè)計(jì)。如假如流過的電流為5A，對1盎司的環(huán)氧玻璃板，其銅箔寬度可取5mm。實(shí)際可按照容許溫升的大小按照圖4進(jìn)行選擇。圖4 1盎司環(huán)氧玻璃板電流與銅箔寬度的關(guān)系圖, 需提醒的是，不同的基板材料生產(chǎn)廠家，不同的基板材料，則圖12顯示的電流與銅箔的關(guān)系是不相同的?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。5.5.2 印制板的散熱5.5.2.1 選用厚度大的印制線，以利于印制線的導(dǎo)熱和自然對流散熱。5.5.2.2 減小元器件引線腿及元器件引線間的熱阻，增強(qiáng)元器件引線腿對印制線的熱傳導(dǎo)，增強(qiáng)導(dǎo)電性。5.5.2.3 當(dāng)元器件的發(fā)熱密度超過0.6W/cm3，單靠元器件的引線腿及元器件本身不足充分散熱，應(yīng)采用散熱網(wǎng)、匯流條器等措施。5.5.2.4 若發(fā)熱密度非常高，則元器件應(yīng)安裝散熱器，在元器件和散熱材料之間應(yīng)涂抹導(dǎo)熱膏。5.5.2.5 以上措施仍不能充分散熱時，就應(yīng)采用熱傳導(dǎo)性能好的印制板，如金屬基底印制板和陶瓷基底(高鋁陶瓷、氧化磚陶瓷、凍石陶瓷)印制板。5.5.2.6 對塑封器件和SMD封裝的元器件，通過管腳散熱成為主要的散熱器途徑之一，其熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下原則：l 加散熱銅箔和采用大面積電源地銅箔，以加大PCB的散熱面積，如圖5所示 圖5: 改善管腳側(cè)散熱的措施之一l 散熱焊盤由過孔連接到內(nèi)層夾心層進(jìn)行散熱和熱平衡 圖6: 改善管腳側(cè)散熱的措施之二5.5.2.7 PCB焊盤的隔熱設(shè)計(jì) 較大的焊盤及大面積銅皮對管腳的散熱十分有利，但在過波峰焊或回流焊時由于銅皮散熱太快，容易造成焊接不良，必須進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，常見的隔熱設(shè)計(jì)方法如圖7所示圖7: 焊盤的隔熱設(shè)計(jì)5.5.6 安裝PCB板的熱設(shè)計(jì)原則5.5.6.1 自然冷卻條件下，對設(shè)備內(nèi)有多塊PCB板時，應(yīng)與進(jìn)風(fēng)方向平行并列安裝，每塊PCB板間的間距應(yīng)大于30mm，以利于對流散熱；對強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下，PCB板的間距可以適當(dāng)減小，但必須符合安規(guī)要求。5.5.6.2 底板、隔熱板、屏蔽板、印制板的位置以不要阻礙或阻斷氣流為原則。5.5.7 元器件結(jié)溫的計(jì)算為保證元器件的安全散熱，需要校核元器件的結(jié)溫是否工作在安全溫度下，首先得獲得如下數(shù)據(jù)：元器件的耗散功率Q（額定值），結(jié)點(diǎn)（junction）的安全工作溫度范圍Tjmax（最大值和推薦值），結(jié)至冷卻空氣熱阻Rja，結(jié)至殼熱阻Rjc，結(jié)至板熱阻Rjb，封裝方式，散熱表面外形尺寸（以上參數(shù)一般在元器件供應(yīng)商提供的用戶手冊中可以查到），PCB板的層數(shù)，流過元器件的空氣溫度和速度（由系統(tǒng)級估算獲得）,工作結(jié)溫按下式進(jìn)行計(jì)算：5.5.7.1元器件背有散熱器 對于帶銅板封裝的大功率元器件(典型如TO220/TO-247等)，其熱量通過環(huán)氧表面 (通常為TOP面)、管腳及銅板共3個渠道傳遞出來，由于結(jié)到環(huán)氧表面、結(jié)到管腳的熱阻較大，所以通過銅板的傳熱為主要的傳熱途徑，如果銅板所貼的散熱器熱阻足夠小且流過環(huán)氧表面的風(fēng)速小于1m/s，則通過其它兩種路徑的傳熱基本可以忽略，在已知散熱器臺面溫度Ts下 , 器件的工作結(jié)溫為：Tj=Ts+ PTRth(j-s) 0.8Tjmax(4) PT-元器件的熱損耗，W Rth(j-s)-元器件結(jié)到散熱器表面的熱阻，/W 對于無銅板的塑封器件，其熱量通過環(huán)氧表面 (通常為TOP面)、管腳共2個渠道傳遞出來，元器件不僅通過表面對流散熱，還通過PCB板的導(dǎo)熱傳遞熱量。PCB的各層信號層、地層和電源層都鋪有大面積的銅，綜合的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，整個PCB板就象是一塊大的平板散熱器，具有熱量均勻化的作用。所以應(yīng)盡量減小結(jié)至板的熱阻，如BGA封裝有大量鋼珠直接和板接觸，熱阻比QFP的封裝方式小。一般較難計(jì)算散熱量在這兩條散熱路徑（表面對流與PCB導(dǎo)熱）上的分配比例，但經(jīng)驗(yàn)表明對于BGA和QFP這樣的封裝，表面無散熱器時，PCB導(dǎo)熱量將占總發(fā)熱量的50%或以上，表面加散熱器時，表面熱阻大幅降低，則PCB導(dǎo)熱量將減小為很小一部分。5.5.7.2 元器件無散熱器如果已知結(jié)到環(huán)境的熱阻，環(huán)境溫度，則器件的工作結(jié)溫為：Tj=Ta+ PTRth(j-a) Ta+ PT（Rth(j-c)Rth(c-a)）(5) 如果沒有提供Rja，就需要運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算芯片表面換熱系數(shù)，并根據(jù)器件的表面散熱量計(jì)算殼體溫升Rth(c-a)= 1/hA (6) 式中A為表面換熱面積/m2，h為表面換熱系數(shù)/W/m2，用下式求出 (7) 式中b和m為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，D為特征尺寸，由表-2查出；為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)/W/m；Re為雷諾數(shù)。 表-2. 不同情況下的常數(shù)b和m橫截面及風(fēng)向雷諾數(shù)bm特征尺寸D氣流垂直流過不同截面小柱體0.4-4.00.8910.33取柱體橫截面的水力直徑，即周長相同的圓形截面直徑，如邊長為d的正方形的水力直徑為，對于垂直流過薄板取板寬的1/2。4.0-400.8210.38540-40000.6150.4664000-400000.1740.61840000-4000000.0240.8052500-8000 (A)5000-100000(B)0.160.0920.6990.6752500-7500(A)5000-100000(B)0.2610.2220.6240.5884000-150000.2050.7313000-150000.0850.8042500-150000.2240.621沿平板流動105層流0.660.5沿流動方向平板長度105紊流0.0320.8注：A為Reiher的研究結(jié)果，B為Hilpert的研究結(jié)果算例：一個2N2905晶體管（TO-5殼體尺寸）在穩(wěn)定功率條件下，在50的環(huán)境中耗散功率0.25W，結(jié)點(diǎn)到殼體的熱阻為33/W，晶體管在90結(jié)溫下能正常工作。晶體管安裝在電路板上，如圖所示，當(dāng)掠過晶體管的空氣速度為1.3m/s時，求晶體管能否正常工作。圖8 2N2905晶體管示意圖解：查得50時空氣的物性參數(shù)為。晶體管的水力直徑為，用下式計(jì)算雷諾數(shù)雷諾數(shù)在404000之間，從表1中查得，代入方程2得晶體管的表面換熱面積這種封裝方式下僅三根細(xì)導(dǎo)線與單板相連，通過單板的導(dǎo)熱量可以忽略，則晶體管表面的溫升為結(jié)點(diǎn)到殼體的溫升為晶體管的結(jié)點(diǎn)溫度為所以在1.3m/s的冷卻空氣流速下可以保證晶體管正常工作。5.6 散熱器的選擇與設(shè)計(jì)5.6.1散熱器需采用的強(qiáng)迫冷卻方式的判別對通風(fēng)條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較惡劣的場合： 散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。5.6.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)5.6.2.1在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。5.6.2.2 增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場合，可采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。5.6.2.3采用針狀齒的設(shè)計(jì)方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。5.6.2.4 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。 圖9 散熱器基板厚度與熱阻的關(guān)系曲線 圖10 不同通風(fēng)條件下散熱器的最佳齒間距5.6.2.5 散熱器基板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，圖9表示出了基板厚度的最佳范圍。對分散式散熱來講，基板厚度一般為3-6mm為最佳。5.6.2.6散熱器齒間距的確定：散熱器齒間距的大小與風(fēng)速有較大的關(guān)系，不同通風(fēng)條件，其最佳的齒間距是不一樣的，圖10表示出了常見通風(fēng)風(fēng)速下最佳的齒間距。5.6.2.7 散熱器齒片厚度的確定：不同的齒片厚度，其對應(yīng)的齒間距是不一樣的，如圖11所示。圖11表示出了不同齒厚對應(yīng)的最佳齒間距。5.6.2.8 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小按表3進(jìn)行成本確定。表3 不同冷卻條件下對應(yīng)的散熱器體積熱阻冷卻條件散熱器體積熱阻 cm3/W自然冷卻500-8001.0m/s(200CFM)150-2502.5m/s(500CFM)80-1505.0m/s(1000CFM)50-80注意：表2只能作為初選散熱器的參考，不能用它來計(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。5.6.2.9一定的冷卻體積及流向長度下，按表4確定散熱器齒片最佳間距的大小表4 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 冷卻條件流向長度(mm)75150225300自然冷卻6.57.510131.0m/s(200)4.05.06.07.02.5m/s(500)2.53.34.05.05.0m/s(1000)2.02.53.03.55.6.2.10 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率 如表5所示，盡可能選用成型簡單的工藝以降低散熱器的加工成本。5.6.2.11 散熱器的表面處理l 安裝元器件的散熱器表面的光潔度Ra1.6m，平面度小于0.1mm。l 安裝元器件的散熱器表面不能進(jìn)行拉絲處理。l 散熱器表面原則上不需要任何表面處理，因?yàn)檫M(jìn)行表面處理對熱性能的改善貢獻(xiàn)較小，而成本增加確實(shí)顯著的。表5 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率散熱器成型方法傳熱效率，成本參考沖壓件/光表面散熱器1018低帶翅片的壓鑄散熱器/常規(guī)鋁型材1522較低鏟齒散熱器2532較高小齒間距鋁型材4548高針裝散熱器/釬焊/錫焊/鏟齒/插片成型散熱器(冷板散熱器)7890很高5.6.3 風(fēng)冷散熱器的輻射換熱考慮 一般情況下，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。因?yàn)榇藭r輻射波長相當(dāng)長，處于不可見的紅外區(qū)。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)。對于強(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)。5.6.4 海拔高度對散熱器的設(shè)計(jì)要求海拔高度對強(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，空氣分子間碰撞的概率降低，對流換熱能力減弱。同樣，強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(8)式計(jì)算海拔高度對強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱影響的強(qiáng)弱。 hc(高空)hc(海平面)(p高空/p海平面)0.8.(8) hc(高空)，hc(海平面)分別為高空及海平面的強(qiáng)迫風(fēng)冷對流換熱系數(shù)，W/m.k p高空，p海平面分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡5.6.5 散熱器散熱量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式表6 強(qiáng)迫風(fēng)冷時對流換熱系數(shù)的計(jì)算方法層流(Ra105)hc(1.1-1.4) 空氣 0.66Ref 0.5/Lhc(1.1-1.4) 空氣 0.032Ref 0.8/L為了簡化計(jì)算，忽略散熱器的導(dǎo)熱熱阻，即假設(shè)模塊的熱量能夠均勻傳遞到散熱器的各表面，此時計(jì)算出的散熱量為模塊的最大散熱量：QhcF對流t(9)hc-自然對流換熱系數(shù)，w/m2.kt-散熱器臺面允許溫升，-散熱器齒片效率(%)對直齒肋：=th(mb)/(mb).(9-1) m=(2 hc/0)0.5.(9-1-1)0：肋片根部厚度(m)b: 肋高(m)如果QPD，表明散熱器的設(shè)計(jì)不滿足散熱要求，必須進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。5.6.6強(qiáng)化散熱器散熱效果的措施5.6.6.1盡可能增大散熱面積，增大散熱面積的途徑有三種：l 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。l 加大散熱器尺寸。l 增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場合，建議采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。5.6.6.2 盡可能提高流過散熱器的風(fēng)速，主要有兩種途徑：l 采用較大流量或壓頭的風(fēng)扇；l 增加風(fēng)扇的數(shù)量，可采用風(fēng)扇并聯(lián)或串聯(lián)方式。l 優(yōu)化系統(tǒng)及單板布局，降低系統(tǒng)的流動阻力，提供風(fēng)扇的實(shí)際出力。5.6.6.3 增加流體擾動，提高對流換熱系數(shù)，如加導(dǎo)流條等。5.7風(fēng)扇的選擇與安裝的熱設(shè)計(jì)原則5.7.1多個風(fēng)扇的安裝位置由于風(fēng)扇出口風(fēng)速的方向與風(fēng)扇進(jìn)口風(fēng)速方向一般成約45角，即呈現(xiàn)倒園錐的流場分布，所以在吹風(fēng)應(yīng)用的場合，要求兩個風(fēng)扇之間最好加一個隔板或保持一個風(fēng)扇厚度的間距，以避免兩股流相交而產(chǎn)生的噪音和死區(qū)。5.7.2風(fēng)扇與最近障礙物間的距離要求為了避免風(fēng)扇太靠近被冷卻物體而產(chǎn)生噪音，建議在吹風(fēng)應(yīng)用場合，風(fēng)扇與單板風(fēng)道入口至少應(yīng)保持一個40mm的距離，以大于風(fēng)扇直徑為最佳。圖12、圖13顯示了在吹風(fēng)時與抽風(fēng)時，風(fēng)扇與障礙物之間的距離對風(fēng)扇靜壓曲線的影響，從圖中可以看出，在吹風(fēng)時，只有在風(fēng)扇與障礙物