電子設(shè)備熱設(shè)計方法

1、第二講 電子設(shè)備熱設(shè)計基本知識一熱源和耗散功率 電子設(shè)備只要通電就有發(fā)熱，是熱源，其產(chǎn)生的熱量等于功率的耗散。耗散功率（發(fā)熱功率）是熱設(shè)計的基礎(chǔ)?？梢圆捎迷囼灪屠碚撚嬎銇泶_定。一般都增加安全系數(shù)，保守取值，適當取高些。 熱設(shè)計一般是取最惡劣工況：最高環(huán)境溫度和最大熱耗散的情況下設(shè)計。耗散功率計算：P=VI理論上是可以這樣計算的。實際大多是元器件廠家提供的。第15-19頁1有源器件2無源器件有熱源如果任由它發(fā)熱不去考慮散熱，那么有可能溫度會超過元器件工作溫度。因此有必要人為構(gòu)造散熱途徑。比如電加熱器燒干。接下來我們看看散熱是怎么回事。熱量傳遞有三種方式：導(dǎo)熱；對流和熱輻射一、導(dǎo)熱導(dǎo)熱的微觀機理

2、氣體的導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞的結(jié)果；金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運動完成；非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動來實現(xiàn)；液體中的導(dǎo)熱主要依靠彈性波。導(dǎo)熱基本定律傅立葉定律（一維導(dǎo)熱）式中： 熱流量，W； 導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)； A 垂直與熱流方向的橫截面面積，m2； x方向的溫度變化率，/m。 負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。 Q圖 導(dǎo)熱熱阻的圖示 t0 x dxdtQ導(dǎo)熱熱阻單位面積導(dǎo)熱熱阻無限大平板一維導(dǎo)熱單層圓筒壁的導(dǎo)熱長度為 l 的圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻實際固體表面不是理想平整的，所以兩固體表面直接接觸的界面容易出現(xiàn)點接觸，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接觸

3、 給導(dǎo)熱帶來額外的熱阻接觸熱阻減小散熱器與器件之間的接觸熱阻 影響接觸熱阻的因素較多，迄今沒有一個普遍適用的經(jīng)驗公式加以歸納，因此工程設(shè)計中都是根據(jù)實驗或參考實測數(shù)據(jù)來選擇接觸熱阻。表2-3為某些典型接觸面的接觸熱阻值。 半導(dǎo)體功率器件安裝于散熱器上的接觸熱阻值可參考表2-4查取。工程中常用的減小接觸熱阻的主要措施： 加大接觸表面之間的壓力； 提高兩個接觸面的加工精度； 接觸表面之間加導(dǎo)熱襯墊或?qū)嶂?dǎo)熱膏等； 在結(jié)構(gòu)強度許可的條件下，選用軟的金屬材料制作散熱器或器件的殼體。二、對流可分為自然對流和強迫對流兩大類對流換熱采用牛頓冷卻公式計算式中：hc 對流換熱系數(shù)，W/(m2)； A 對流換

4、熱面積，m2； tw 熱表面溫度，； tf 冷卻流體溫度，。 對流換熱熱阻： 強制對流自然對流柯爾朋傳熱因子緊湊式換熱面表面換熱系數(shù)計算一、自然對流換熱的準則方程式中：Nu 努謝爾特數(shù)，Nu=hD/； Ra 瑞利數(shù)，Ra=GrPr； Gr 格拉曉夫數(shù)，Gr=g2D3t/2； Pr 普朗特數(shù)； C、n 由表2-1查得，定性溫度取壁面溫度與流體溫度的算術(shù)平均值； h 自然對流換熱系數(shù)， W/(m2)； D 特征尺寸， m； 流體的導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m)； 流體的體積膨脹系數(shù)， -1； g 重力加速度， m/s2； 流體的密度， kg/m3； 流體的動力粘度， Pas； t 換熱表面與流體的溫差，

5、。 二、自然對流換熱的簡化計算 對在海平面采用空氣自然冷卻的多數(shù)電子元器件或小型設(shè)備(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下簡化公式進行計算式中： 熱流密度，W/m2； A 換熱面積，m2； C 系數(shù)，由表2-1查得； D 特征尺寸，m； t 換熱表面與流體（空氣）的溫差，。 表2-1 自然對流準則方程中的C和n值強迫對流換熱的準則方程管內(nèi)流動及沿平板流動的準則方程管內(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。 入口段：入口段管內(nèi)流動換熱系數(shù)是不穩(wěn)定的，所以計算平均對流換熱系數(shù)應(yīng)對入口段進行修正。在紊流時，如果管長與管內(nèi)徑之比L/d50則可忽

6、略入口效應(yīng)，實際上多屬于此類情況。 彎管修正 其他關(guān)聯(lián)式 管內(nèi)受迫層流換熱準則式： Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 流動阻力流體流動的阻力:由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這個阻力稱為流動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。 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。 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(chǎn)生的流動阻力。管內(nèi)層流沿程阻力計算(達西公式) hf=(L/de)(V2/2) 沿程阻力系數(shù)，64/Re 管內(nèi)紊流沿程阻力計算 hf=(

7、L/de)(V2/2) f(Re，/d)，即紊流時沿程阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與相對粗糟度有關(guān)。 尼古拉茲采用人工粗糟管進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, 采用布拉修斯公式計算： 0.3164/Re 0.25非園管道沿程阻力的計算 引入當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量水力直徑。 de=4A/x局部阻力 hjV2/2 局部阻力系數(shù) 突然擴大： 按小面積流速計算的局部阻力系數(shù)：1(1-A1/A2) 按大面積流速計算的局部阻力系數(shù)：2(1-A2/A1) 突然縮?。?可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗值。 三、輻射輻射能以電磁

8、波的形式傳遞任意物體的輻射能力可用下式計算式中： 物體的表面黑度； 0 斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，5.6710-8 W/(m2K4)； A 輻射表面積，m2； T 物體表面的熱力學(xué)溫度，K。 圖 兩黑體表面間的輻射換熱輻射換熱計算方程兩物體表面之間的輻射換熱計算公式為：式中： T1、 T2 物體1和物體2表面的絕對溫度， K； 1、 2 物體1和物體2的表面黑度； xt 系統(tǒng)黑度； A 物體輻射換熱表面積， m2； F12 兩物體表面的角系數(shù)。 c. 輻射換熱網(wǎng)絡(luò)法任意兩表面間的輻射網(wǎng)絡(luò)如下圖所示： 圖中Eb1和Eb2分別代表同溫度下的表面1和表面2的黑體輻射力；J1和J2分別為表面1和表面2的有效

9、輻射。2 傳熱方程傳熱的基本計算公式為：式中： 熱流量，W； 傳熱系數(shù)，W/(m2)； A 傳熱面積，m2； t 熱流體與冷流體之間的溫差，。 熱量傳遞的三種基本方式：導(dǎo)熱、對流和輻射傳熱過程和傳熱系數(shù)1 傳熱過程的定義：兩流體間通過固體壁面進行的換熱2 傳熱過程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對流、熱輻射輻射換熱、對流換熱、熱傳導(dǎo)圖墻壁的散熱3 一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程中的熱量傳遞圖一維穩(wěn)態(tài)傳熱過程忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對流換熱熱阻上面?zhèn)鳠徇^程中傳遞的熱量為：(1-10)傳熱系數(shù) ，是表征傳熱過程強烈程度的標尺，不是物性參數(shù)，與過程有關(guān)。 傳熱系數(shù)單位熱阻或面積熱阻熱電模擬熱電模

10、擬網(wǎng)絡(luò) 利用熱電模擬的概念，可以解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的傳熱計算。恒溫?zé)嵩吹刃в诶硐氲暮銐涸?。恒定的熱流源等效為理想的電流源。?dǎo)熱、對流和輻射換熱的區(qū)域均可用熱阻來處理。熱沉等效于“接地”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)。 熱設(shè)計時應(yīng)利用中間散熱器，它們一般屬于設(shè)備的一部分，通常為設(shè)備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設(shè)備中的空氣、液體等冷卻劑。傳熱路徑 熱流量經(jīng)傳熱路徑至最終的部位，通稱為“熱沉”，它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，即相當于一個無限大容器。熱沉可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，取決于被冷卻設(shè)備所處的環(huán)境。熱阻的確定確定熱阻的步驟a. 根據(jù)對每個元器件的可靠

11、性要求，確定元器件的最高允許溫度b. 確定設(shè)備或冷卻劑的最高環(huán)境溫度c. 根據(jù)上述兩條規(guī)定，確定每個元器件的允許溫升d. 確定每個元器件冷卻時所需的熱阻熱阻的計算式中Rt 為整個傳熱面積上的熱阻，/W。a. 平壁導(dǎo)熱熱阻：b. 對流換熱熱阻：3冷卻方法的選擇3.1冷卻方法的分類3.2冷卻方法的選擇3.3冷卻方法選擇示例3.1 冷卻方法的分類按冷卻劑與被冷元件之間的配置關(guān)系a. 直接冷卻b. 間接冷卻按傳熱機理a. 自然冷卻（包括導(dǎo)熱、自然對流和輻射換熱的單獨 作用或兩種以上 換熱形式的組合）b. 強迫冷卻（包括強迫風(fēng)冷和強迫液體冷卻等）c. 蒸發(fā)冷卻d. 熱電致冷e. 熱管傳熱f. 其它冷卻方

12、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。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確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。根據(jù)溫升在40條件下各種冷卻方式的熱流密度3.2 冷卻方法的選擇根據(jù)溫升在40條件下各種冷卻方式的體積功率密度值的范圍二、冷卻方法可以根據(jù)熱流密度和溫升要求，按下圖關(guān)系進行選擇。這種方法適用于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻三、設(shè)備內(nèi)部的散熱方法應(yīng)使發(fā)熱元器件與被冷卻表面或散熱器之間有一條低熱阻的傳熱路徑。四、利用金屬導(dǎo)熱是最基本的傳熱方法，

13、其熱路容易控制。而輻射換熱則需要比較高的溫差，且傳熱路徑不容易控制。對流換熱需要較大的面積，在安裝密度較高的設(shè)備內(nèi)部難以滿足要求。五、大多數(shù)小型電子元器件最好采用自然冷卻方法。自然對流冷卻表面的最大熱流密度為0.039W/cm2。有些高溫元器件的熱流密度可高達0.078W/cm2。六、強迫空氣冷卻是一種較好的冷卻方法。若電子元器件之間的空間有利于空氣流動或可以安裝散熱器時，就可以采用強迫空氣冷卻。七、直接液體冷卻適用于體積功率密度較高的元器件 或設(shè)備。直接液體冷卻要求冷卻劑與元器件相容，其典型熱阻為每平方厘米1.25/W。直接強迫液體冷卻的熱阻為每平方厘米0.03/W。八、直接沸騰冷卻適用于體

14、積功率密度很高的設(shè)備或元器件，其熱阻值為每平方厘0.006/W。九、熱電致冷是一種產(chǎn)生負熱阻的致冷技術(shù)。優(yōu)點是不需要外界動力、且可靠性高；缺點是重量大、效率低。十、熱管是一種傳熱效率很高的傳熱器件，其傳熱性能比相同的金屬導(dǎo)熱要高幾十倍，且兩端的溫差很小。應(yīng)用熱管時，主要問題是如何減小熱管兩端接觸界面上的熱阻。3.3 冷卻方法選擇示例 功耗為300W的電子組件，擬將其裝在一個248mm381mm432mm的機柜里，放在正常室溫的空氣中，是否需要對此機柜采取特殊的冷卻措施？是否可以把此機柜設(shè)計得再小一些？ 體積功率密度： 面積熱流密度： 由于V很小，根據(jù)圖1查得，當t=40，q=0.04W/cm2

15、時，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，因此不需要采取特殊冷卻方法，依靠空氣的自然對流散熱就足夠了。 由圖1可知，若采用強迫風(fēng)冷，熱流密度為3000W/m2，因此，采用風(fēng)冷時，可以把機柜表面積減小到0.1m2（自然冷卻所需的面積為0.75m2）。若設(shè)備的溫升有嚴格限制，假設(shè)只允許10，由圖2可以看出，需強迫風(fēng)冷才能滿足要求。穩(wěn)態(tài)傳熱一般情況下，穩(wěn)態(tài)設(shè)計瞬態(tài)傳熱周期性條件交變，急速過程，開關(guān)機可能造成設(shè)備熱沖擊損壞。等等熱設(shè)計步驟1. 熟悉和掌握與熱設(shè)計有關(guān)的標準、規(guī)范，確定設(shè)備（或元器件）、散熱面積、散熱器或冷卻劑的最高和最低環(huán)境溫度范圍。2. 確定可利用的冷卻技

16、術(shù)和限制條件。3. 對每個元器件進行應(yīng)力分析，并根據(jù)設(shè)備可靠性及分配給每個器件的失效率，確定每個器件的最高允許溫度。確定每個發(fā)熱元器件的功耗。4. 畫出熱電模擬網(wǎng)絡(luò)圖。5. 由元器件的內(nèi)熱阻確定其最高表面溫度。6. 確定器件表面至散熱器或冷卻劑所需的回路總熱阻。7. 根據(jù)熱流密度和有關(guān)因素，對熱阻進行分析和初步分配。8. 對初步分配的各類熱阻進行評估，以確定這種分配是否合理。并確定可以采用的或允許采用的冷卻技術(shù)是否能夠達到這些要求。9. 選擇使用于回路中每種熱阻的冷卻技術(shù)或傳熱方法。10. 估算所選冷卻方案的成本，研究其它冷卻方案，進行對 比，以便找到最佳方案。11. 熱設(shè)計的同時，還應(yīng)考慮可靠性、安全性、維修性及電 磁兼容設(shè)計。1.2 熱設(shè)計應(yīng)考慮的問題應(yīng)對冷卻方法進行權(quán)衡分析，使設(shè)備的壽命周期費用降至最低，而可用性最高熱設(shè)計必須與維修性設(shè)計相結(jié)合，提高設(shè)備的可維修性設(shè)備中關(guān)鍵的部件或器件，即使在冷卻系統(tǒng)某些部分遭到破壞或不工作的情況下，應(yīng)具