第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法2023/5/27第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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(jì)的基礎(chǔ)?？梢圆捎迷囼?yàn)和理論計(jì)算來(lái)確定。一般都增加安全系數(shù)，保守取值，適當(dāng)取高些。熱設(shè)計(jì)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(jì)。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法耗散功率計(jì)算：P=VI理論上是可以這樣計(jì)算的。實(shí)際大多是元器件廠家提供的。第15-19頁(yè)1有源器件2無(wú)源器件第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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(huì)超過(guò)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(lái)我們看看散熱是怎么回事。熱量傳遞有三種方式：導(dǎo)熱；對(duì)流和熱輻射第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法一、導(dǎo)熱導(dǎo)熱的微觀機(jī)理

氣體的導(dǎo)熱是氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)完成；非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過(guò)晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)來(lái)實(shí)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：Φ——熱流量，W； λ——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(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法Q圖導(dǎo)熱熱阻的圖示

t0xdxdtQ導(dǎo)熱熱阻單位面積導(dǎo)熱熱阻無(wú)限大平板一維導(dǎo)熱第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法單層圓筒壁的導(dǎo)熱長(zhǎng)度為l的圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法實(shí)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(diǎn)接觸，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接觸

——給導(dǎo)熱帶來(lái)額外的熱阻接觸熱阻第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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(méi)有一個(gè)普遍適用的經(jīng)驗(yàn)公式加以歸納，因此工程設(shè)計(jì)中都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或參考實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)選擇接觸熱阻。表2-3為某些典型接觸面的接觸熱阻值。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法半導(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。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法工程中常用的減小接觸熱阻的主要措施：⑴加大接觸表面之間的壓力；⑵提高兩個(gè)接觸面的加工精度；⑶接觸表面之間加導(dǎo)熱襯墊或?qū)嶂?、?dǎo)熱膏等；⑷在結(jié)構(gòu)強(qiáng)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。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法二、對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩大類對(duì)流換熱采用牛頓冷卻公式計(jì)算式中：hc——對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——對(duì)流換熱面積，m2；tw——熱表面溫度，℃； tf——冷卻流體溫度，℃。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法對(duì)流換熱熱阻：

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法強(qiáng)制對(duì)流自然對(duì)流第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法柯?tīng)柵髠鳠嵋蜃泳o湊式換熱面第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法表面換熱系數(shù)計(jì)算一、自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程式中：Nu——努謝爾特?cái)?shù)，Nu=hD/λ；

Ra——瑞利數(shù)，Ra=Gr·Pr；

Gr——格拉曉夫數(shù)，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；

Pr——普朗特?cái)?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(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)； D——特征尺寸，m；λ——流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；β——流體的體積膨脹系數(shù)，℃-1；g——重力加速度，m/s2；ρ——流體的密度，kg/m3；μ——流體的動(dòng)力粘度，Pa·s；Δt——換熱表面與流體的溫差，℃。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法二、自然對(duì)流換熱的簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)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(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算式中：φ——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；Δt——換熱表面與流體（空氣）的溫差，℃。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法表2-1自然對(duì)流準(zhǔn)則方程中的C和n值第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)則方程管內(nèi)流動(dòng)及沿平板流動(dòng)的準(zhǔn)則方程第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法管內(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。

入口段：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。在紊流時(shí)，如果管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比L/d>50則可忽略入口效應(yīng)，實(shí)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(zhǔn)則式：

Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法流動(dòng)阻力流體流動(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。

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(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。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法管內(nèi)層流沿程阻力計(jì)算(達(dá)西公式)

hf=λ(L/de)(ρV2/2)

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)(ρV2/2)

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)。

尼古拉茲采用人工粗糟管進(jìn)行試驗(yàn)得出了沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式：

紊流光滑區(qū)：4000<Re<105,λ采用布拉修斯公式計(jì)算：λ＝0.3164/Re

0.25第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法非園管道沿程阻力的計(jì)算

引入當(dāng)量水力半徑后所有園管的計(jì)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。

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)：ζ1＝(1-A1/A2)

按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ2＝(1-A2/A1)

突然縮?。?/p>

可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法三、輻射輻射能以電磁波的形式傳遞任意物體的輻射能力可用下式計(jì)算式中：ε——物體的表面黑度； σ0

——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；A——輻射表面積，m2； T——物體表面的熱力學(xué)溫度，K。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法圖兩黑體表面間的輻射換熱第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法輻射換熱計(jì)算方程兩物體表面之間的輻射換熱計(jì)算公式為：式中：T1、T2——物體1和物體2表面的絕對(duì)溫度，K；ε1、ε2——物體1和物體2的表面黑度；εxt——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)。

第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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的有效輻射。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法2傳熱方程傳熱的基本計(jì)算公式為：式中：Φ——熱流量，W；

Κ——傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A——傳熱面積，m2；

Δt

——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(duì)流和輻射第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1傳熱過(guò)程的定義：兩流體間通過(guò)固體壁面進(jìn)行的換熱2傳熱過(guò)程包含的傳熱方式：導(dǎo)熱、對(duì)流、熱輻射輻射換熱、對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)圖墻壁的散熱第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法3一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中的熱量傳遞圖一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程忽略熱輻射換熱，則左側(cè)對(duì)流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對(duì)流換熱熱阻第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法上面?zhèn)鳠徇^(guò)程中傳遞的熱量為：(1-10)傳熱系數(shù)，是表征傳熱過(guò)程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺，不是物性參數(shù)，與過(guò)程有關(guān)。

傳熱系數(shù)單位熱阻或面積熱阻第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法熱電模擬熱電模擬網(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(jì)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(duì)流和輻射換熱的區(qū)域均可用熱阻來(lái)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)。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法熱設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)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(dāng)于一個(gè)無(wú)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第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法a.根據(jù)對(duì)每個(gè)元器件的可靠性要求，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(gè)元器件的允許溫升d.確定每個(gè)元器件冷卻時(shí)所需的熱阻熱阻的計(jì)算式中Rt為整個(gè)傳熱面積上的熱阻，℃/W。a.平壁導(dǎo)熱熱阻：b.對(duì)流換熱熱阻：第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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冷卻方法選擇示例第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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(jī)理a.自然冷卻（包括導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合）b.強(qiáng)迫冷卻（包括強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液體冷卻等）c.蒸發(fā)冷卻d.熱電致冷e.熱管傳熱f.其它冷卻方法第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)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(wú)法滿足散熱要求時(shí)，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(lái)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第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法二、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(jìn)行選擇。這種方法適用于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法三、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，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(duì)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(duì)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(dá)0.078W/cm2。六、強(qiáng)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(dòng)或可以安裝散熱器時(shí)，就可以采用強(qiáng)迫空氣冷卻。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法七、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(qiáng)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(fù)熱阻的致冷技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)是不需要外界動(dòng)力、且可靠性高；缺點(diǎn)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(shí)，主要問(wèn)題是如何減小熱管兩端接觸界面上的熱阻。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法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(gè)248mm×381mm×432mm的機(jī)柜里，放在正常室溫的空氣中，是否需要對(duì)此機(jī)柜采取特殊的冷卻措施？是否可以把此機(jī)柜設(shè)計(jì)得再小一些？

體積功率密度：

面積熱流密度：

由于φV很小，根據(jù)圖1查得，當(dāng)△t=40℃，q=0.04W/cm2時(shí)，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，因此不需要采取特殊冷卻方法，依靠空氣的自然對(duì)流散熱就足夠了。

由圖1可知，若采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，熱流密度為3000W/m2，因此，采用風(fēng)冷時(shí)，可以把機(jī)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(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。第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法穩(wěn)態(tài)傳熱一般情況下，穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)瞬態(tài)傳熱周期性條件交變，急速過(guò)程，開(kāi)關(guān)機(jī)可能造成設(shè)備熱沖擊損壞。等等第二講電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法熱設(shè)計(jì)步驟1.