電子科技大學(xué)

電子科技大學(xué)2023/12/27電子科技大學(xué)介紹為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)？高溫對(duì)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(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落。溫度對(duì)元器件的影響：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會(huì)降低電容器的使用壽命；高溫會(huì)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(guò)高還會(huì)造成焊點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)的變化—IMC增厚，焊點(diǎn)變脆，機(jī)械強(qiáng)度降低；結(jié)溫的升高會(huì)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。

電子科技大學(xué)介紹熱設(shè)計(jì)的目的

控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的

工作環(huán)境條件下不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計(jì)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(gè)元器件的失效率相一致。在本次講座中將學(xué)到那些內(nèi)容風(fēng)路的布局方法、產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法、風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法、海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策、熱仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

電子科技大學(xué)概述風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法

：通過(guò)典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法

：通過(guò)實(shí)例分析，了解散熱器的校核計(jì)算方法、風(fēng)量的計(jì)算方法、通風(fēng)口的大小的計(jì)算方法。風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法：了解風(fēng)扇的基本定律及應(yīng)用；了解噪音的評(píng)估方法。海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策：了解海拔高度對(duì)風(fēng)扇性能的影響、海拔高度對(duì)散熱器及元器件的影響，了解在熱設(shè)計(jì)如何考慮海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的影響。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。熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)：了解最新散熱技術(shù)、了解新材料。電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)機(jī)柜的后門(mén)(面板)不須開(kāi)通風(fēng)口。底部或側(cè)面不能漏風(fēng)。應(yīng)保證模塊后端與機(jī)柜后面門(mén)之間有足夠的空間。機(jī)柜上部的監(jiān)控及配電不能阻塞風(fēng)道，應(yīng)保證上下具有大致相等的空間。對(duì)散熱器采用直齒的結(jié)構(gòu),模塊放在機(jī)柜機(jī)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。對(duì)散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu),除每個(gè)模塊機(jī)箱前面板應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口外,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口。電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)案例電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(guò)每一個(gè)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。如果風(fēng)扇同時(shí)冷卻散熱器及模塊內(nèi)部的其它發(fā)熱器件，應(yīng)在模塊內(nèi)部采用阻流方法，使大部分的風(fēng)量流入散熱器。進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：一方面盡量使其對(duì)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。風(fēng)道的設(shè)計(jì)原則風(fēng)道盡可能短，縮短管道長(zhǎng)度可以降低風(fēng)道阻力；盡可能采用直的錐形風(fēng)道，直管加工容易，局部阻力??；風(fēng)道的截面尺寸和出口形狀，風(fēng)道的截面尺寸最好和風(fēng)扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長(zhǎng)方形；電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式電子科技大學(xué)風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論自然對(duì)流換熱大空間的自然對(duì)流換熱Nu=C(Gr.Pr)n.

定性溫度：

tm=(tf+tw)/2

定型尺寸按及指數(shù)按下表選取電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論自然對(duì)流換熱

有限空間的自然對(duì)流換熱

垂直封閉夾層的自然對(duì)流換熱問(wèn)題分為三種情況：(1)在夾層內(nèi)冷熱壁的兩股流道邊界層能夠相互結(jié)合，形成環(huán)流；(2)夾層厚度δ與高度之比δ/h>0.3時(shí)，冷熱的自然對(duì)流邊界層不會(huì)相互干擾，也不會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，可按大空間自然對(duì)流換熱計(jì)算方法分別計(jì)算冷熱的自然對(duì)流換熱；(3)冷熱壁溫差及厚度均較小，以厚度為定型尺寸的Gr=(Bg△tδ3)/υ3<2000時(shí)，通過(guò)夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過(guò)程計(jì)算。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論自然對(duì)流換熱

有限空間的自然對(duì)流換熱

水平夾層的自然對(duì)流換熱問(wèn)題分為三種情況：(1)熱面朝上，冷熱面之間無(wú)流動(dòng)發(fā)生，按導(dǎo)熱計(jì)算；(2)熱面朝下，對(duì)氣體Gr.Pr<1700,按導(dǎo)熱計(jì)算；(3)有限空間的自然對(duì)流換熱方程式：

Nu=C(Gr.Pr)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)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論流體受迫流動(dòng)換熱

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：流體從進(jìn)入管口開(kāi)始需經(jīng)歷一段距離后管兩側(cè)的邊界層才能夠在管中心匯合，這時(shí)管斷面流速分布及流動(dòng)狀態(tài)才達(dá)到定型。這段距離稱為入口段。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。管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)則式：

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

管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式：

tw>tfNu=0.023Re0.8Pr0.4.

tw<tfNu=0.023Re0.8Pr0.3電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)流量與斷面平均流速

流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過(guò)過(guò)流斷面的流體數(shù)量。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。二者的關(guān)系為：G=γQ

斷面平均流速：由于流體的粘性，過(guò)流斷面上各點(diǎn)的流速分布不均勻，根據(jù)流量相等原則所確定的均勻流速稱為斷面平均流速。單位m/s(CFM)V＝Q/A濕周與水力半徑

濕周：過(guò)流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長(zhǎng)度。用x表示，單位m。

水力半徑：總流過(guò)過(guò)流斷面面積A與濕周x之比稱為水力半徑，應(yīng)符號(hào)R表示，單位M。

恒定流連續(xù)性方程

對(duì)不可壓縮流體：V1A1=V2A2.

對(duì)可壓縮流體

：

ρ1V1A1=ρ1V2A2電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)恒定流能量方程

對(duì)理想流體：Z＋p/γ+v2/2g=常數(shù)

實(shí)際流體:由于粘性作為會(huì)引起流動(dòng)阻力，流體阻力與流體流動(dòng)方向相反作負(fù)功，使流體的總能量不斷衰減，每個(gè)斷面的Z＋p/y+v2/2g≠常數(shù)，假設(shè)流體從斷面1到斷面2的能量損失為hw，則元流的能量方程式為：

Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋hw電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)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。層流、紊流與雷諾數(shù)

層流：流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，有規(guī)則的層流運(yùn)動(dòng)。

Re=Vde/ν<2300層流

紊流：流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜，無(wú)規(guī)則的紊流運(yùn)動(dòng)。

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(diǎn)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。

Re=Vde/ν<2300紊流電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)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電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)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)

突然縮小：

可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。

電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法散熱器冷卻方式的判據(jù)對(duì)通風(fēng)條件較好的場(chǎng)合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。對(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的判據(jù)對(duì)通風(fēng)條件較好的場(chǎng)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(duì)通風(fēng)條件較惡劣的場(chǎng)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。電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法散熱器設(shè)計(jì)的步驟

通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。3:進(jìn)行校核計(jì)算。電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對(duì)流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來(lái)確定散熱器的齒間距。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(huì)對(duì)自然對(duì)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。自然對(duì)流的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(qiáng)化輻射換熱。由于自然對(duì)流達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，所以自然對(duì)流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊，建議大于5mm以上。電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。增加散熱器的齒片數(shù)。目前國(guó)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(guó)內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對(duì)能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場(chǎng)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。采用針狀齒的設(shè)計(jì)方式，增加流體的擾動(dòng)，提高散熱齒間的對(duì)流換熱系數(shù)。當(dāng)風(fēng)速大于1m/s(200CFM)時(shí)，可完全忽略浮升力對(duì)表面換熱的影響。

電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法在一定的冷卻體積及流向長(zhǎng)度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)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)的定義電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)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)用電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法散熱器的基板的優(yōu)化方法電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)方法優(yōu)化散熱器齒間距的經(jīng)驗(yàn)公式及評(píng)估風(fēng)速變化對(duì)熱阻的影響的經(jīng)驗(yàn)公式電子科技大學(xué)散熱器的設(shè)計(jì)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(duì)輻射換熱的影響。因?yàn)榇藭r(shí)輻射波長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)，處于不可見(jiàn)的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個(gè)良好的發(fā)射體也是一個(gè)良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無(wú)關(guān)。對(duì)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)。如果物體表面的溫度低于50℃，可不考慮輻射換熱的影響。輻射換熱面積計(jì)算時(shí)，如表面積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。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。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見(jiàn)。

電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)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(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。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)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)備的冷卻電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)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(jī)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(wèn)采用那種冷卻方法比較合理？計(jì)算熱流密度：q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2

根據(jù)圖2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。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。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算密封機(jī)箱

WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3ΔT對(duì)通風(fēng)機(jī)箱

WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT對(duì)強(qiáng)迫通風(fēng)機(jī)箱

WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3ΔT+1000QfΔT電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算[案例]有一電子設(shè)備其總功耗為55W，其外形尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為400mm、300mm和250mm，外殼外表面的黑度為ε=0.96，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(gè)側(cè)面及頂面參與散熱，試進(jìn)行自然冷卻設(shè)計(jì)計(jì)算。解:密封機(jī)箱的最大散熱量QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σεTm3F輻射Δt

＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96

×(0.4×0.3+1.4×0.25)×3083×10=16.87+29.9=46.78W<Q=55W

顯然，密封機(jī)箱不能夠滿足散熱要求，需開(kāi)通風(fēng)口。通風(fēng)機(jī)箱的通風(fēng)面積計(jì)算QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3F輻射Δt+1000uSinΔt55＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96××(0.4×0.3+1.4×0.25)×3083×10＋1000×0.1×Sin×10Sin=82.2cmSout＝(1.5-2.0)Sin=164.4cm2電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法自然冷卻時(shí)進(jìn)風(fēng)口面積的計(jì)算

在機(jī)柜的前面板上開(kāi)各種形式的通風(fēng)孔或百葉窗，以增加空氣對(duì)流，進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計(jì)算：

Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5)s-通風(fēng)口面積的大小，cm2Q-機(jī)柜內(nèi)總的散熱量，WH-機(jī)柜的高度，cm，約模塊高度的1.5-1.8倍，Δt=t2-t1－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1.5-2倍電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法強(qiáng)迫風(fēng)冷出風(fēng)口面積的計(jì)算模塊有風(fēng)扇端的通風(fēng)面積:Sfan=0.785(φin2－φhub2)無(wú)風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=(1.1-1.5)Sfan系統(tǒng)在后面板(后門(mén))上與模塊層對(duì)應(yīng)的位置開(kāi)通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為：S＝(1.5-2.0)(N×S模塊)N---每層模塊的總數(shù)S模塊---每一個(gè)模塊的進(jìn)風(fēng)面積電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法通風(fēng)面積計(jì)算的案例[案例]

鐵道信號(hào)電源機(jī)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(jì)算，機(jī)柜實(shí)際寬度為680mm，試計(jì)算每層進(jìn)出風(fēng)口的面積？H按2倍模塊的高度計(jì)算，即H=2×7U=14U進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算：Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)=360/(7.4×10-5×14×4.44×201.5)=875cm2進(jìn)風(fēng)口高度h機(jī)柜的寬度按B=680mm計(jì)，則進(jìn)風(fēng)口的高度為：H=Sin/B=875/68=128.7mmb出風(fēng)口面積Sout

Sout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750cm2電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法q`=Q/(0.335△T)q`---實(shí)際所需的風(fēng)量，M3/hQ----散熱量，W△T--空氣的溫升，℃，一般為10－15℃。確定風(fēng)扇的型號(hào)經(jīng)驗(yàn)公式：按照1.5-2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：q=(1.5-2)q`按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號(hào)。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法案例：10KUPS主功率管部分的實(shí)際總損耗為800W，空氣溫升按15℃考慮，請(qǐng)選擇合適的風(fēng)扇。

實(shí)際所須風(fēng)量為：q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h

按照2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：q=2q`=2×159.2=318.4m3/h

下表風(fēng)扇為可選型號(hào)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算散熱器的熱阻

散熱器的熱阻是從大的方面包括三個(gè)部分。

RSA=R對(duì)+R導(dǎo)+R輻

R對(duì)=1/（hcF1）

F1--對(duì)流換熱面積(m),hc–對(duì)流換熱系數(shù)(w/m2.k)R輻--輻射換熱熱阻

，對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷可忽略不計(jì)

對(duì)自然冷卻

R輻＝1/(4бεTm3)

R導(dǎo)＝R

基板＋R肋導(dǎo)

＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R對(duì)流

λ--導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h.℃

δ--散熱器基板厚度(m)

η--肋效率系數(shù)F2--基板的導(dǎo)熱面積(m)

F2=0.785*(d+δ)2

d-

發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算自然對(duì)流

垂直表面

hcs=1.414(△t/L)0.25

，w/m.k

式中:△t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升，℃L--散熱表面的特征尺寸，取散熱表面的高，m

水平表面，熱表面朝上

hct=1.322(△t/L)0.25

，w/m.k

式中:△t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升，℃L--散熱表面的特征尺寸，取L＝2(長(zhǎng)×寬)/(長(zhǎng)＋寬)，m

水平表面，熱表面朝下

hcb=0.661(△t/L)0.25

，w/m.k

式中:△t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升，℃L--散熱表面的特征尺寸，取L＝2(長(zhǎng)×寬)/(長(zhǎng)＋寬)，m電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流

層流Ref<105

hc＝(1.1-1.4)λ空氣0.66Ref0.5/L

湍流Ref>105

hc＝(1.1-1.4)λ空氣0.032Ref0.8/L肋片效率

對(duì)直齒肋：

η=th(mb)/(mb))

m=(2hc/λδ0)

δ0：肋片根部厚度(m)

b.肋高(m)

電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算散熱器的流阻計(jì)算

散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失

△P＝hf+hj=λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2

λf--沿程阻力系數(shù)L--流向長(zhǎng)度(m)de--當(dāng)量水利直徑(m)，de=4A流通/濕周長(zhǎng)

V--斷面流速(m/s)

沿程阻力系數(shù)計(jì)算λf

層流區(qū)：Re=Vd/υ≤2300λf=64/Re

紊統(tǒng)光滑區(qū)

4000<Re<105

λf=0.3164/Re0.25

υ--運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)（m2/s），從文獻(xiàn)中查找電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算散熱器的流阻計(jì)算

局面阻力系數(shù)ζ突然擴(kuò)大按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ1＝(1-A1A2)按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ2＝(1-A2/A1)突然縮小可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算【案例】散熱器DXC-616(天津鋁合金廠編號(hào))，截面圖略，散熱器的截面積為77.78cm2，周長(zhǎng)為2.302m，單位長(zhǎng)度的重量為21KG/m。風(fēng)扇采用PAPST4656Z，風(fēng)扇功率19W，最大風(fēng)量為160m3/h，壓頭為70Pa.

風(fēng)道阻力曲線的計(jì)算

入口面積：Fin=0.785×D2=0.785×0.1192=0.01116m2

流通面積：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2

水力直徑：de＝4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m

由于風(fēng)速較低，一般最大不會(huì)超過(guò)6m/s，雷諾數(shù)<2300，沿程阻力系數(shù)按下式計(jì)算：λ=64/Re＝64ν/Vde

沿程阻力按下式計(jì)算：hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)=(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)=(8.07/V)(ρV2/2)

局部阻力按下式計(jì)算：

hj＝ξρV2/2

對(duì)于突然縮小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得ξ＝0.38

總阻力損失H=hf+hj=(0.38+8.07/V)(ρV2/2)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法型材散熱器的計(jì)算【案例】續(xù)

確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)10KVAUPS的選擇風(fēng)扇為PAPST4656Z，我們把風(fēng)道曲線與風(fēng)扇的曲線進(jìn)行疊加，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，給工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為5m/s，壓力為35Pa.

散熱器的校核計(jì)算

雷諾數(shù)Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104

努謝爾特?cái)?shù)：Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157

對(duì)流換熱系數(shù)：hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.km=(2hc/λδ)0.5=9.82ml=9.82×0.03=0.295，查得：η＝0.96

該散熱器的最大散熱量為（散熱器臺(tái)面溫升按最大40℃考慮)：Q＝hcF△tη=460.4W

計(jì)算結(jié)果表面，散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法傳熱計(jì)算確定空氣流過(guò)冷板后的溫升：t=Q/qmCp確定定性溫度tf=(2ts+t1+t2)/4，冷板臺(tái)面溫度ts為假定值設(shè)定冷板的寬度為b，則通道的橫截面積為Ac，Ac=b×Ac0

確定定性溫度下的物性參數(shù)(μ、Cp、ρ、Pr)。流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù)G=qm/AfRe=deG/μ根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)，Re<1800,層流，Re>105,湍流根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計(jì)算考爾本數(shù)JRe<1800,層流J=6/Re0.98Re>105,湍流J=0.023/Re

0.2也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z27-92圖12－18查得電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法傳熱計(jì)算計(jì)算冷板的換熱系數(shù)：h=JGCpPr2/3

計(jì)算肋片的效率m=(2h/λδ)0.5，ηf=th(ml)/ml（也可以根據(jù)ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率)計(jì)算冷板的總效率：忽略蓋板及底版的效率，總效率為：A＝At+Ar＋Ab，

η0＝1－Ar(1-ηf)/A計(jì)算傳熱單元數(shù)

NTU＝hη0A/qmCp

計(jì)算冷板散熱器的臺(tái)面溫度

ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法流體流動(dòng)阻力計(jì)算計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比

σ=Af/Ac查空氣進(jìn)入冷板時(shí)入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,σ)：

根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z27-92圖12－16及圖12－16查得

查摩擦系數(shù)f=f(Re,σ)：根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z27-92圖12－18查得計(jì)算流動(dòng)阻力△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+fρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法判斷準(zhǔn)則確定是否滿足ts<[ts]，如果不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法案例：10KVAUPS冷板散熱器，器件的損耗為870.5W，要求冷板散熱器臺(tái)面溫升小于30℃(在40℃的環(huán)境溫度下)。

冷板散熱器的截面圖略

梯形小通道面積：Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2

每排有29個(gè)梯形小通道，共22排，n=29×22=638個(gè)

基板厚度為：9mm總的流通面積Af=30.4×29×22=0.0193952m2

冷板的橫截面積Ac=120×120×2=0.0288m2

水力半徑：de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法【案例】續(xù)確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)Re=deG/μ=deqm/μAf

在40℃空氣的物性參數(shù)為：

μ＝19.1×10-6kg/m.s,ρ１＝1.12kg/m3Re=(4.787×10-3×1.12×0.30483qm1/(60×19.1×10-6×0.0193952)=6.831qm1(qm1的單位為：CFM)

σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法【案例】續(xù)先忽略空氣密度的變化,不同流量的流阻計(jì)算如下表所示:

我們把兩個(gè)NMB4715的風(fēng)扇流量相加，靜壓不變，得出兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)后的靜壓曲線，再把上表的數(shù)據(jù)繪制成風(fēng)道曲線并與風(fēng)扇靜壓曲線進(jìn)行畫(huà)在同一張圖上，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法冷板的計(jì)算方法【案例】續(xù)

空氣流過(guò)冷板后的溫升

空氣口溫度為40℃，ρ１＝1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃

μ=19.1×10-6kg/m.s，Pr=0.699

質(zhì)量流量qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s

△t=Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63

℃

定性溫度：tf=(2ts+t1+t2)=(2×80+40+49.63)/4=62.4℃

按定性溫度查物性得：

ρ１＝1.06kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃

μ=20.1×10-6kg/m.s，Pr=0.696

換熱系數(shù)

質(zhì)量流速G=qm/Af=4.14×1.12=4.64kg/m2.s

雷諾數(shù)Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1層流J=6/Re0.98=6/1105.10.98=6.25×10-3h=JGCpPr-2/3=6.25×10-3×4.64×1005.7×0.696-2/3=37.14W/m2.℃

肋片效率m=(2h/λδ)0.5=(2×37.14/(180×0.001))0.5=20.3ml=20.3×0.11=2.23

ηf=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433

傳熱單元數(shù)：NTU＝hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241=0.5772

冷板的表面溫度：Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9℃<70℃

冷板設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。電子科技大學(xué)風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法風(fēng)扇定律

Basic(corrected)fanlaws

Whenfanspeedchanges

Whenairdensitychanges

Airflow

CFM2=CFM1(RPM2/RPM1)

WRONG!CFM2=CFM1(density2/density1)WRONG!

MASSFLOW2=MASSFLOW1(density2/density1)

Pressure

P2=P1(RPM2/RPM1)2

P2=P1(density2/density1)

Power

HP2=HP1(RPM2/RPM1)3

HP2=HP1(density2/density1)

Noise

N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)

N2=N1+20log10(density2/density1)

電子科技大學(xué)風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法風(fēng)扇的噪音問(wèn)題風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音與風(fēng)扇的工作點(diǎn)或風(fēng)量有直接關(guān)系，對(duì)于軸流風(fēng)扇在大風(fēng)量，低風(fēng)壓的區(qū)域噪音最小，對(duì)于離心風(fēng)機(jī)在高風(fēng)壓，低風(fēng)量的區(qū)域噪音最小，這和風(fēng)扇的最佳工作區(qū)是吻合的。注意不要讓風(fēng)扇工作在高噪音區(qū)。風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口受阻擋所產(chǎn)生的噪音比其出風(fēng)口受阻擋產(chǎn)生的噪音大好幾倍，所以一般應(yīng)保證風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口離阻擋物至少30mm的距離，以免產(chǎn)生額外的噪音。對(duì)于風(fēng)扇冷卻的機(jī)柜，在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房?jī)?nèi)噪音不得超過(guò)55dB，在普通民房?jī)?nèi)不得超過(guò)65dB。電子科技大學(xué)風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法風(fēng)扇的噪音問(wèn)題對(duì)于不得不采用大風(fēng)量，高風(fēng)壓風(fēng)扇從而產(chǎn)生較大噪音的情況，可以在機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、前后門(mén)內(nèi)側(cè)、風(fēng)扇框面板、側(cè)板等處在不影響進(jìn)風(fēng)的條件下貼吸音材料，吸音效果較好的材料主要是多孔介質(zhì)，如玻璃棉，厚度越厚越好。

有時(shí)由于沒(méi)有合適的風(fēng)機(jī)而選擇了轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)機(jī)，在保證設(shè)計(jì)風(fēng)量的條件下，可以通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)的電壓或其他方式降低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而降低風(fēng)扇的噪音。相應(yīng)的噪音降低變化按下式計(jì)算：

N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)

電子科技大學(xué)風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法風(fēng)扇的噪音問(wèn)題【案例】：一電源模塊采用一個(gè)軸流風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，為了有效抑止噪音，要求風(fēng)扇只有在監(jiān)控點(diǎn)的溫度高于85℃才全速運(yùn)轉(zhuǎn)，其余情況風(fēng)扇必須半速運(yùn)轉(zhuǎn)。已知風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速為2000RMP，噪音為40db，求在半速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇的噪音為多少？如果已知全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)扇的工作點(diǎn)為(50CFM,0.3IN.H2O)，試求風(fēng)扇在半速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的工作點(diǎn)。解：根據(jù)風(fēng)扇定律

N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)

＝40＋50log10(1000/2000)＝24.9db

P2=P1(RPM2/RPM1)2

＝0.3(1000/2000)2=0.075IN.H2O

CFM2=CFM1(RPM2/RPM1)＝50(1000/2000)=25CFM電子科技大學(xué)海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策海拔高度對(duì)自然冷卻條件的熱設(shè)計(jì)要求

對(duì)于自然對(duì)流，其傳熱機(jī)理是由于冷卻空氣吸熱后其密度減小，迫使重力場(chǎng)中的空氣上升而形成冷熱空氣的對(duì)流而產(chǎn)生熱量傳遞。由于隨著海拔高度的增加，空氣的密度逐漸減小，空氣上升的能力也就減少，自然對(duì)流換熱的能力減弱。自然對(duì)流換熱能力的變化最終體現(xiàn)在對(duì)流換熱系數(shù)的變化上，根據(jù)美國(guó)斯坦伯格的經(jīng)驗(yàn)公式，如果忽略空氣溫度的變化，可按下式計(jì)算海拔高度對(duì)自然對(duì)流的影響強(qiáng)弱。hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5=hc(海平面)(p高空/p海平面)0.5hc(高空)，hc(海平面)－分別為高空及海平面的自然對(duì)流換熱系數(shù)，W/m.kρ高空，ρ海平面－分別為高空及海平面的空氣密度，Kg/m3p高空，p海平面－分別為高空及海平面的空氣壓力，帕斯卡電子科技大學(xué)海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策海拔高度對(duì)強(qiáng)迫冷卻條件的熱設(shè)計(jì)要求海拔高度對(duì)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，質(zhì)量流速減小，空氣分子間碰撞的概率降低，對(duì)流換熱能力減弱。同樣，強(qiáng)迫對(duì)流換熱隨海拔高度的變化最終體現(xiàn)在對(duì)流換熱系數(shù)的變化上，美國(guó)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，可按下式計(jì)算海拔高度對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱影響的強(qiáng)弱。

層流：hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5湍流：hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.8

hc(高空)，hc(海平面)－分別為高空及海平面的強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)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，帕斯卡電子科技大學(xué)海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策自然對(duì)流時(shí)的解決對(duì)策

預(yù)先計(jì)算出海拔高度對(duì)自然對(duì)流換熱系數(shù)的影響大小，通過(guò)增加相應(yīng)的對(duì)流換熱面積來(lái)彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱，按下式計(jì)算：F對(duì)流(高空)＝F對(duì)流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.5電子科技大學(xué)海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)的解決對(duì)策增大面積法

預(yù)先計(jì)算出海拔高度對(duì)自然對(duì)流換熱系數(shù)的影響大小，通過(guò)增加相應(yīng)的對(duì)流換熱面積來(lái)彌補(bǔ)高空換熱能力的減弱，按下式計(jì)算：F對(duì)流(高空)＝F對(duì)流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.5提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速

RPM2/RPM1＝

ρ海平面/ρ高空

電子科技大學(xué)元器件工作結(jié)溫的計(jì)算元器件的工作結(jié)溫計(jì)算

如果已知道散熱器臺(tái)面溫度Ts,則器件的工作結(jié)溫為：Tj=Ts+PT×Rth(j-s)

Rth(j-s)=Rjc+Rcs+RbRth(j-s)－器件結(jié)到散熱器的熱阻，℃/W。Rjc－

器件結(jié)殼熱阻，℃/W，從器件使用手冊(cè)中查得Rcs--殼到散熱器的熱阻，即接觸熱阻,℃/W，可根據(jù)從器件使用手冊(cè)中查得的值乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)得到。Rb-絕緣墊片的熱阻，℃/W，可絕緣墊片的數(shù)據(jù)資料中查得，無(wú)絕緣墊片時(shí)該項(xiàng)熱阻為零。如果已知散熱器的熱阻，環(huán)境溫度，則器件的工作結(jié)溫為：Tj=Ta+PT×Rth(j-a)Rth(j-a)=Rsa+Rjc+Rcs+RbRth(j-a)－器件結(jié)到環(huán)境的熱阻，℃/W。Rsa－散熱器熱阻，℃/W電子科技大學(xué)元器件工作結(jié)溫的計(jì)算元器件的工作結(jié)溫計(jì)算[案例1]30A模塊中，輸出二極管處散熱器的臺(tái)面溫度為94.6℃，二極管的最大結(jié)溫為175℃，結(jié)殼熱阻為0.45℃/W，接觸熱阻為0.15℃/W，絕緣墊片的熱阻為0.3℃/W，計(jì)算二極管的工作結(jié)溫。Rjs=Rjc+Rcs＋Rb=0.45+0.15+0.3=0.9℃/wTj=Ts+Pd×Rjs=94.6+44.2×0.9=134.4℃[案例2]

如把[案例1]中的二極管在一散熱器中央，散熱器的熱阻為0.8℃/w，環(huán)境溫度為40℃。Rjs=Rsa+Rjc+Rcs＋Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/wTj=Ta+PT×Rth(j-a).＝40＋44.2×1.7=115.2℃電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)為什么要進(jìn)行熱仿真分析？

提高產(chǎn)品的性能及可靠性。更快地將產(chǎn)品投放市場(chǎng)。降低設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和重復(fù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的費(fèi)用。減少試驗(yàn)和測(cè)量的次數(shù)。電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)仿真分析技術(shù)及軟件介紹電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件是基于計(jì)算傳熱學(xué)技術(shù)（NTS）和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）發(fā)展電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)輔助分析軟件，它可以幫助熱設(shè)計(jì)工程師驗(yàn)證、優(yōu)化熱設(shè)計(jì)方案，滿足產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)的需要，并可以顯著降低產(chǎn)品驗(yàn)證熱測(cè)試的工作量。目前商業(yè)的熱設(shè)計(jì)軟件種類繁多，有基于有限體積法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、Tas－Harvardthermal、Coolit、Betasoft，及基于有限元的Ansys等，其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占據(jù)大部分的市場(chǎng)份額。電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)仿真分析技術(shù)軟件在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的作用對(duì)產(chǎn)品的溫度場(chǎng)作出預(yù)測(cè)，使我們?cè)谶M(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)關(guān)注熱點(diǎn)區(qū)域。進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣分析，得出最佳的設(shè)計(jì)方案。對(duì)產(chǎn)品的風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化，最大限度的提高散熱效率。

任何先進(jìn)的仿真軟件已永遠(yuǎn)無(wú)法代替人，軟件只是熱設(shè)計(jì)人員所利用的工具之一。所以仿真軟件結(jié)果的可靠性決定于熱設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)及理論水平。電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)ANSYS軟件介紹Ansys軟件是由美國(guó)Ansys公司推出的多物理場(chǎng)有限元仿真分析軟件，涉及結(jié)構(gòu)、熱、計(jì)算流體力學(xué)、聲、電磁等學(xué)科，能夠有效地進(jìn)行各種場(chǎng)的線性和非線性計(jì)算及多種物理場(chǎng)相互影響的耦合分析。Structure是該軟件面向結(jié)構(gòu)分析研究的專用模塊。Flortran是該軟件面向流場(chǎng)分析研究的專用模塊。Thermal是其中面向熱設(shè)計(jì)研究的專用模塊。電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)Flothermal熱分析軟件介紹Flotherm是英國(guó)的FLOMERICS公司開(kāi)發(fā)的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件，其最顯著的特點(diǎn)是針對(duì)電子設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)，提供的熱設(shè)計(jì)組件模型，根據(jù)這些組件模型可以快速的建立機(jī)柜、插框、單板、芯片、風(fēng)扇、散熱器等電子設(shè)備的各組成部分。Flotherm軟件基本上可以分為前處理、求解器和后處理三個(gè)部分。前處理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate。ProjectManager用于項(xiàng)目管理、物性參數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)、計(jì)算參數(shù)的設(shè)定等；DrawingBoard提供了一個(gè)可視化的建立機(jī)柜、插框、單板、芯片幾何

模型的界面和計(jì)算網(wǎng)格劃分工具。通過(guò)在ProjectManager和DrawingBoard中的互動(dòng)操作，就可以完成具體的建模工作。Flogate是一個(gè)數(shù)據(jù)接口模塊，它可以把單板的裝配圖文件（IDF格式）導(dǎo)入Flotherm，直接完成單板的建模設(shè)計(jì)。求解器是Flosolve模塊，它可以完成模型的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)計(jì)算。后處理部分包括Visulation、Flomotion和Table，Visulation完成仿真計(jì)算結(jié)果的可視化顯示；Flomotion除了也可以實(shí)現(xiàn)可視化顯示外，還可以制作流場(chǎng)的動(dòng)畫(huà)顯示；熱分析模型的大量計(jì)算數(shù)據(jù)如某區(qū)域的平均溫度、空氣流量等可以通過(guò)Table模塊查詢。電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)ICEPAK熱分析軟件介紹ICEPAK是全球CFD的領(lǐng)導(dǎo)者FLUENT公司通過(guò)集成ICEMCFD公司的網(wǎng)格劃分及后處理技術(shù)而開(kāi)發(fā)成功的針對(duì)電子設(shè)備冷卻分析的專用熱設(shè)計(jì)軟件。具有如下優(yōu)點(diǎn)：建模能力：

除了有矩形，圓形模型外，還有多種復(fù)雜形狀模型，如橢球體、多面體、管道、斜板等模型；

有thin-conduction薄板模型。網(wǎng)格技術(shù)：有結(jié)構(gòu)化，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；有四面體網(wǎng)格；有四面體、六面體混合網(wǎng)格；能夠?qū)?fù)雜模型快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格；支持結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的non-conformal網(wǎng)格。

求解器：Fluent求解器能夠求解多種流體介質(zhì)問(wèn)題；能夠求解結(jié)構(gòu)化，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問(wèn)題；支持網(wǎng)絡(luò)并行。電子科技大學(xué)熱仿真技術(shù)傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法與仿真分析方法的比較在操作流程上面的差異傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法利用設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)確定出設(shè)計(jì)方案，然后利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，在通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。仿真分析軟件可以同時(shí)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析比較，并能夠確定出最佳的設(shè)計(jì)方案。如果軟件使用者具有足夠的熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，則完全可以省略試驗(yàn)驗(yàn)證的環(huán)節(jié)。從而達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期的目的。優(yōu)缺點(diǎn)比較對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴度設(shè)計(jì)周期熱設(shè)計(jì)一次成功率熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法強(qiáng)長(zhǎng)高高，裕量適中高電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)電源模塊的熱設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)一次電源模塊的熱設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)隨著電源模塊功率密度的升高，熱設(shè)計(jì)已逐漸成為瓶頸問(wèn)題。傳統(tǒng)的集中散熱的方式(所有的功率管全部集中在一個(gè)散熱器上)無(wú)法滿足模塊體積逐步減小的要求。分散式散熱成為解決這一難題的主要技術(shù)。二次電源模塊熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

二次電源模塊正朝著高效率、超輕、超薄、高功率密度的方向發(fā)展。以O(shè)PENFRAME結(jié)構(gòu)為代表的新一代模塊，如圖17所示，通過(guò)電路技術(shù)上的改進(jìn)，提高了模塊的工作效率，降低了模塊的熱損耗，同時(shí)功率器件及PCB耐溫等級(jí)的提高，使得模塊可以省掉金屬或陶瓷底板，進(jìn)而省掉了笨重的散熱器，有效的節(jié)省了系統(tǒng)的可見(jiàn)，同時(shí)提高了模塊抗震動(dòng)的能力。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)大功率UPS及變頻器熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)大功率UPS及變頻器由于其熱損耗較大，往往需要較大的散熱器。如何有效的提高散熱器的傳熱效率成為引導(dǎo)該類產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)發(fā)展的原動(dòng)力。由于傳統(tǒng)的型材散熱器傳熱效率最低，而以鏟齒散熱器/針裝散熱器/釬焊/插片成型散熱器為代表的新的散熱器成型方式將逐步取代傳統(tǒng)笨重的型材散熱器。目前鏟齒散熱器//釬焊/插片成型散熱器已在我司獲得廣泛的應(yīng)用。熱管技術(shù)由于其傳熱溫差小，傳熱效率高已在電子設(shè)備上逐步獲得應(yīng)用。應(yīng)用熱管技術(shù)可以有效減小散熱器的體積，減小傳導(dǎo)熱阻。但由于熱管制造工藝復(fù)雜，可靠性較低，價(jià)格高，在我司未獲得應(yīng)用。MaterialEffectiveThermalConductivityHeatPipes150,000-200,000W/m°CAluminum180W/m°CCopper386W/m°CDiamond2,000W/m°C電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)分散式散熱技術(shù)基本理念電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)分散式散熱技術(shù)優(yōu)勢(shì)

可以自由根據(jù)各部分的損耗大小來(lái)設(shè)計(jì)散熱器，從而保證散熱器的最佳化。散熱器可以自由置于最有利的通風(fēng)位置，從而提高散熱器的散熱效率?？梢宰畲笙薅鹊陌l(fā)揮風(fēng)扇的作用，提高了風(fēng)扇的利用率。由于散熱器分散，部分區(qū)域的功率管可以省掉導(dǎo)熱絕緣膜。產(chǎn)品的功率密度可以達(dá)到很高。劣勢(shì)

由于各部分散熱器已達(dá)到最佳化，散熱器抗熱沖擊能力會(huì)減弱，應(yīng)引起特別關(guān)注。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管技術(shù)什么叫熱管？

熱管是一種具有高效導(dǎo)熱性能的傳熱器件。它能夠在熱源與散熱片間以較小的溫差實(shí)現(xiàn)熱傳遞，也可以在散熱器基板表面實(shí)現(xiàn)等溫以提高散熱器的效率。熱管的發(fā)展史？1942年前：簡(jiǎn)單的二相熱虹吸管 J.Perkins及他的孫子L.P.Perkins發(fā)明并改進(jìn)了“Perkinstube”即熱虹吸管——簡(jiǎn)單的重力熱管。1960~1970年：發(fā)明熱管并成功應(yīng)用于航天事業(yè)1942~1944年，R.S.Gaugler提出了現(xiàn)代熱管的原理，但未實(shí)際應(yīng)用；1963年，G.M.Grover再次提出了這一原理，并以熱管命名；六十年代，成功應(yīng)用于空間飛行和原子反應(yīng)堆；七十年代至今：熱管在地面上各領(lǐng)域的應(yīng)用蓬勃發(fā)展電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的基本結(jié)構(gòu)

熱管通過(guò)工作流體的蒸發(fā)與冷凝來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。熱管內(nèi)部為真空，一般都有吸液芯。加熱端的液體在受熱后即汽化形成一個(gè)壓力梯度迫使蒸氣沿著管道流向冷凝端，蒸氣在冷凝端釋放汽化潛熱而冷凝，冷凝液體在吸液芯的毛細(xì)作用下或在重力的作用下回到加熱端，形成循環(huán)。電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱管的基本結(jié)構(gòu)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

主要型式：金屬絲網(wǎng)/金屬粉末燒結(jié)/軸向槽道熱管的基本結(jié)構(gòu)－毛細(xì)吸液芯電子科技大學(xué)1.與熱管外殼及毛細(xì)吸液芯材料的相容性2.熱穩(wěn)定性3.與管壁及吸液芯間的潤(rùn)濕性4.在工作溫度范圍下的蒸氣壓力不要太高或太低5.汽化潛熱高6.導(dǎo)熱性能高7.蒸氣及液體的粘性低8.表面張力高9.允許的冰點(diǎn)及傾點(diǎn)溫度

即品質(zhì)因數(shù)要大熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管的基本結(jié)構(gòu)－工作流體性能要求電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)介質(zhì)凝固點(diǎn)（℃）正常沸點(diǎn)（℃）工作范圍（℃）氨R11甲醇-78-111-98-332464-60~100-40~12010~130水010030~300導(dǎo)熱姆12257150~395鈉98892600~12001800熱管的基本結(jié)構(gòu)－常用介質(zhì)電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱源（SOURCE）汽化潛熱熱沉（SNIK）凝結(jié)為液體放熱段蒸發(fā)為蒸氣加熱段QQ籍助于工質(zhì)的相變潛熱傳輸熱量二大優(yōu)點(diǎn)：1.高的傳熱效率（潛熱>>顯熱）2.低的傳熱溫差（理論上ΔT→0）熱管工作原理之一電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管技術(shù)熱管的工作原理之二電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)冷凝液籍助重力回流，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單工作可靠注意：1.必須工作在重力場(chǎng)；2.加熱段必須位于放熱段下。熱管技術(shù)熱管的工作原理之三－重力熱管工作原理電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 1.按不同的冷凝液體回收方式可分為：冷凝液回收方式熱管形式重力重力熱管毛細(xì)力標(biāo)準(zhǔn)熱管離心力回轉(zhuǎn)熱管熱管技術(shù)熱管的形式電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 按熱管的結(jié)構(gòu)形狀，可分為： 單管型熱管 平板型熱管 分離型（回路）熱管熱管技術(shù)熱管的形式分離型熱管平板型熱管電子科技大學(xué)熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì) 由于熱管的特有結(jié)構(gòu)，使它具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，它的應(yīng)用正是以這些特性為基礎(chǔ)。（一）良好的導(dǎo)熱性： 導(dǎo)熱方式： 熱管——工質(zhì)相變 銅、銀——顯熱,自由電子,分子熱運(yùn)動(dòng) 導(dǎo)熱系數(shù)：