散熱器翼片中空氣流動的形式

散熱器翼片中空氣流動的形式

由于工作條件的限制，現(xiàn)代車載電子設備（簡稱設備）通常體積小，但設備功率大，設備發(fā)熱量大。電子設備的正常溫度超過100，設備效率增加。據(jù)美軍方統(tǒng)計機載電子設備的失效原因中超過50%是因溫度引起的,因此電子設備的熱設計是機載設備可靠性設計中的重要內容。機載設備散熱器的冷卻效率主要取決于散熱器的對流換熱系數(shù),而影響對流換熱系數(shù)的主要因素是通過散熱器的空氣流溫度和速度。散熱器與空氣流的溫差越大,換熱效率越高。通過散熱器的空氣流速越大,熱量散發(fā)越快。另一個影響對流換熱系數(shù)的重要因素是通過散熱器的空氣流動形式,即層流流動或湍流流動。層流流動時,空氣沿平行于流道軸心線的流線流動,沒有跨越流線的分速度,沿流道壁面法線方向的熱量傳遞只能依靠流體分子的遷移運動即熱傳導。而湍流流動時,流體質點運動的流線雜亂無章,不僅在平行于流道壁面方向(軸向)有對流,且相鄰流層間的不斷擾動混合,形成渦漩流動,以致在壁面法線方向(橫向)也有對流。因此湍流時的熱量傳遞,除依靠導熱方式外,主要依靠渦漩流動從一個流層到另一個流層的隨機運動過程傳遞熱量,使換熱增強。所以湍流換熱比層流換熱強,對流換熱系數(shù)更大。為求得較大的對流換熱系數(shù),需對散熱器的翼片形狀進行優(yōu)化,盡可能使散熱器中的空氣流動呈湍流形式,才能提高散熱器的冷卻效率。機載電子設備的散熱冷卻主要分自然冷卻和強制風冷卻。自然冷卻的效率取決于散熱器換熱系數(shù),這與散熱器的形狀、材料和環(huán)境溫度有關。強制風冷卻的效率除與散熱器的形狀和材料有關外,還取決于空氣流與散熱器間的對流換熱系數(shù)。按自然冷卻設計的設備散熱器,工作時需要較大的散熱面,才能把熱散出來。由于機上一般沒有多余的空間,只能讓設備在高溫(接近100℃)環(huán)境下工作。按強制風冷卻方案設計的散熱器,在中、低空時因為空氣密度大,冷風流速高空氣流在散熱器中是湍流流動形式,可使設備快速降溫,但到高空時由于空氣稀薄強制風冷卻效率降低,設備也工作在高溫區(qū)。機載電子設備的熱設計一般是在自然冷卻的基礎上加強制風冷卻措施。1自然冷卻的設計方法1.1根據(jù)相關法規(guī)的要求，設計外框架的圖紙主要從便于制造和安裝、測試方面進行考慮,盡可能按最大外輪廓設計,使設備具有更大的熱容量。1.2般系統(tǒng)熱阻qa散熱器具有熱阻性,當散熱器的溫度上升時,它會把熱量從自身散發(fā)到周圍空氣中。散熱器對周圍環(huán)境的熱阻QSA是對從散熱器到周圍環(huán)境空氣散熱能力的一個度量。熱阻依賴于散熱器材料的熱傳導性、散熱器的幾何形狀及通過散熱器翼片的空氣流速。(1)由熱傳導的材料銅散熱器的熱阻比鋁散熱器的熱阻小,銅的熱阻系數(shù)(R)是0.2794℃·cm/W,而鋁的R是0.5842℃·cm/W。(2)空氣空氣源的特性圖1為散熱器的形狀有圓柱形及方形翼片。方形翼片散熱器的使用時間較長,但圓柱形翼片散熱器比方形翼片的散熱器工作特性好,特別是在設備空氣流動極少,甚至不流動的環(huán)境條件下,其優(yōu)點更為顯著。這是因為圓柱形翼片散熱器的全向結構,使空氣可從每一個角度進入,使其散熱效率更高。圓柱形翼片使散熱器翼片間易產(chǎn)生湍流,這種湍流圍繞圓柱突破了停止的空氣分界層,從而提高了散熱器的散熱性,而且這種圓柱形結構在不提高風阻時,可提高與空氣接觸的表面積比,有利于散熱。(3)通過檢測器翼的空氣流速度在高空時機載電子設備中空氣密度低,空氣流速一般較小。1.3系統(tǒng)的熱特性計算為了校核設備的熱特性,一般選設備中最大功率元件的結溫(T結溫)來計算,因為它在設備中溫度一般是最大的,所以用其結溫作設備溫度的上限。在進行熱計算時,重要參數(shù)為設備周圍環(huán)境空氣的最高溫度T環(huán)MAX、設備的熱功耗值P熱耗及與周圍環(huán)境相連接的有效熱阻Q熱阻,即T結溫=(P熱耗×Q熱阻)+T環(huán)MAX(1)TCASQ=T結溫-(P熱耗×QJC)(2)式中TCASQ為電子元器件的殼溫;QJC為功率器件和外殼間熱阻。式(2)的結果決定了在規(guī)定條件下工作時是否需要額外的散熱面積,如果TCASQ的計算結果超過了器件允許的殼溫最大值,就需增加散熱器的散熱面積。散熱器的另兩個參數(shù)為散熱器至QSA和導熱劑(在大功率元件外殼和散熱器底部間)的熱阻QCS。知道了散熱器的這兩個有效熱阻參數(shù)后,則TCASQ=T環(huán)MAX+(P熱耗×QSA)+(P熱耗×QCS)(3)如果式(3)計算結果超過了最大值TCASQ,那么就要換一個有更好熱特性的散熱器。但式(3)給出的TCASQ是一個保守的估計值,這是因為在設備中有其他通道耗散了熱量。如通過電路板板傳導到機箱熱耗低的幾個面上發(fā)散到環(huán)境中。另外為抗擊瞬時熱負荷的沖擊,散熱器的基板應足夠厚(大于5mm)。瞬時熱負荷的沖擊會形成電子器件材料的熱膨脹,熱膨漲系數(shù)的不同,會造成表貼電容的斷裂、功率器件的熱擊穿等。且為了加強設備的熱輻射,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),強化輻射換熱。2備用用戶的設計在一些特定的情況下,要讓功率大的電子器件在規(guī)定的工作溫度范圍內工作,可能用到的備用散熱解決方案包括散熱器加風扇、導熱管、強迫通風和空氣管道。2.1熱風機熱風熱風比自然冷卻更好的散熱性能的簡單方法是散熱器和風扇組合使用,這種散熱風扇加快了散熱器表面的空氣流動,減少了散熱器的整體熱阻。其優(yōu)點是使用相同的散熱器時,可獲得更好的散熱性能。但風扇需要額外的設備功耗。另外不管風扇是安裝在散熱器的頂部還是旁邊,都需要額外的設備空間。2.2作為熱傳導方案的解決方案當在設備中沒有空間安裝散熱器,或由于高度限制而無法使用特定的散熱器來提供足夠散熱特性時,導熱管就可用來作為一種散熱解決方案。在這種情況下,導熱管可(通過冷卻板和充滿壓縮冷卻劑的具有熱傳導性能的管道)把熱量從過熱部位傳遞到較遠的散熱器和設備風扇,繼而將其散發(fā)到設備外部較冷的空氣中。其優(yōu)點是當散熱器體積太大而不能安裝時,在設備內安裝導熱管具有優(yōu)勢。但與散熱器或散熱風扇相比,導熱管定制的費用較高。2.3器件的熱設計與自然冷卻散熱設計相比,強迫通風和空氣通道是另一種獲得更好冷卻性能的方法。強迫通風法在安裝于狹小設備內的大功率發(fā)熱器件的散熱設計中具有優(yōu)勢,此時由于空間太小,不足以安裝氣流特性和尺寸都合適的風扇。而安裝在設備外部的風扇,能通過空氣通道吸入或排出空氣,強迫空氣流通過散熱器。其優(yōu)點是風扇經(jīng)空氣通道將