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)根本知識(shí)一熱源和耗散功率電子設(shè)備只需通電就有發(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)的根底。可以采用實(shí)驗(yàn)和實(shí)際計(jì)算來(lái)確定。普通都添加平安系數(shù)，保守取值，適當(dāng)取高些。熱設(shè)計(jì)普通是取最惡劣工況：最高環(huán)境溫度和最大熱耗散的情況下設(shè)計(jì)。耗散功率計(jì)算：P=VI實(shí)際上是可以這樣計(jì)算的。實(shí)踐大多是元器件廠家提供的。第15-19頁(yè)1有源器件2無(wú)源器件有熱源假設(shè)任由它發(fā)熱不去思索散熱，那么有能夠溫度會(huì)超越元器件任務(wù)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)我們看看散熱是怎樣回事。熱量傳送有三種方式：導(dǎo)熱；對(duì)流和熱輻射一、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)那么運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞的結(jié)果；金屬導(dǎo)體中的導(dǎo)熱主要靠自在電子的運(yùn)動(dòng)完成；非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是經(jīng)過(guò)晶格構(gòu)造的振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；液體中的導(dǎo)熱主要依托彈性波。導(dǎo)熱根本定律——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)表示熱量傳送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(wú)限大平板一維導(dǎo)熱單層圓筒壁的導(dǎo)熱長(zhǎng)度為l的圓筒壁的導(dǎo)熱熱阻實(shí)踐固體外表不是理想平整的，所以兩固體外表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減小散熱器與器件之間的接觸熱阻影響接觸熱阻的要素較多，迄今沒(méi)有一個(gè)普遍適用的閱歷公式加以歸納，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。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：⑴加大接觸外表之間的壓力；⑵提高兩個(gè)接觸面的加工精度；⑶接觸外表之間加導(dǎo)熱襯墊或?qū)嶂?、?dǎo)熱膏等；⑷在構(gòu)造強(qiáng)度答應(yīng)的條件下，選用軟的金屬資料制造散熱器或器件的殼體。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——熱外表溫度，℃； tf——冷卻流體溫度，℃。

對(duì)流換熱熱阻：強(qiáng)迫對(duì)流自然對(duì)流柯爾朋傳熱因子緊湊式換熱面外表?yè)Q熱系數(shù)計(jì)算一、自然對(duì)流換熱的準(zhǔn)那么方程式中：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——換熱外表與流體的溫差，℃。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(恣意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下簡(jiǎn)化公式進(jìn)展計(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——換熱外表與流體〔空氣〕的溫差，℃。

表2-1自然對(duì)流準(zhǔn)那么方程中的C和n值強(qiáng)迫對(duì)流換熱的準(zhǔn)那么方程管內(nèi)流動(dòng)及沿平板流動(dòng)的準(zhǔn)那么方程管內(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)等要素對(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)展修正。在紊流時(shí)，假設(shè)管長(zhǎng)與管內(nèi)徑之比L/d>50那么可忽略入口效應(yīng)，實(shí)踐上多屬于此類情況。彎管修正其他關(guān)聯(lián)式管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)那么式：Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25

流動(dòng)阻力流體流動(dòng)的阻力:由于流體的粘性和固體邊境的影響，使流體在流動(dòng)過(guò)程中遭到阻力，這個(gè)阻力稱為流動(dòng)阻力，可分為沿程阻力和部分阻力兩種。沿程阻力：在邊境沿程不變的區(qū)域，流體沿全部流程的摩檫阻力。部分阻力：在邊境急劇變化的區(qū)域，如斷面忽然擴(kuò)展或忽然減少、彎頭等部分位置，是流體的流體形狀發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。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)展實(shí)驗(yàn)得出了沿程阻力系數(shù)的閱歷公式：紊流光滑區(qū)：4000<Re<105,λ采用布拉修斯公式計(jì)算：λ＝0.3164/Re0.25非園管道沿程阻力的計(jì)算引入當(dāng)量水力半徑后一切園管的計(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部分阻力hj＝ξρV2/2ξ－部分阻力系數(shù)忽然擴(kuò)展：按小面積流速計(jì)算的部分阻力系數(shù)：ζ1＝(1-A1/A2)按大面積流速計(jì)算的部分阻力系數(shù)：ζ2＝(1-A2/A1)忽然減少：可從相關(guān)的資料中查閱閱歷值。三、輻射輻射能以電磁波的方式傳送恣意物體的輻射才干可用下式計(jì)算式中：ε——物體的外表黑度； σ0——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；A——輻射外表積，m2； T——物體外表的熱力學(xué)溫度，K。

圖兩黑體外表間的輻射換熱輻射換熱計(jì)算方程兩物體外表之間的輻射換熱計(jì)算公式為：式中：T1、T2——物體1和物體2外表的絕對(duì)溫度，K；ε1、ε2——物體1和物體2的外表黑度；εxt——系統(tǒng)黑度； A——物體輻射換熱外表積，m2； F12——兩物體外表的角系數(shù)。c.輻射換熱網(wǎng)絡(luò)法恣意兩外表間的輻射網(wǎng)絡(luò)如以下圖所示：圖中Eb1和Eb2分別代表同溫度下的外表1和外表2的黑體輻射力；J1和J2分別為外表1和外表2的有效輻射。2傳熱方程傳熱的根本計(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，℃。

熱量傳送的三種根本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射傳熱過(guò)程和傳熱系數(shù)1傳熱過(guò)程的定義：兩流體間經(jīng)過(guò)固體壁面進(jìn)展的換熱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3一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程中的熱量傳送圖一維穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程忽略熱輻射換熱，那么左側(cè)對(duì)流換熱熱阻固體的導(dǎo)熱熱阻右側(cè)對(duì)流換熱熱阻上面?zhèn)鳠徇^(guò)程中傳送的熱量為：(1-10)傳熱系數(shù)，是表征傳熱過(guò)程劇烈程度的標(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熱電模擬熱電模擬網(wǎng)絡(luò)利用熱電模擬的概念，可以處理穩(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)處置。熱沉等效于“接地〞，一切的熱源和熱回路均與其相銜接，構(gòu)成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)。熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用中間散熱器，它們普通屬于設(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。傳熱途徑熱流量經(jīng)傳熱途徑至最終的部位，通稱為“熱沉〞，它的溫度不隨傳送到它的熱量大小而變，即相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限大容器。熱沉能夠是大氣、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。熱阻確實(shí)定確定熱阻的步驟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：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冷卻方法選擇例如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方式的組合〕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.其它冷卻方法冷卻方式的選擇方法確定冷卻方法的原那么在一切的冷卻方法中應(yīng)優(yōu)先思索自然冷卻，只需在自然冷卻無(wú)法滿足散熱要求時(shí)，才思索其它冷卻。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，按以下圖關(guān)系進(jìn)展選擇。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)熱元器件與被冷卻外表或散熱器之間有一條低熱阻的傳熱途徑。四、利用金屬導(dǎo)熱是最根本的傳熱方法，其熱路容易控制。而輻射換熱那么需求比較高的溫差，且傳熱途徑不容易控制。對(duì)流換熱需求較大的面積，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)流冷卻外表的最大熱流密度為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。假設(shè)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。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)是不需求外界動(dòng)力、且可靠性高；缺陷是分量大、效率低。十、熱管是一種傳熱效率很高的傳熱器件，其傳熱性能比一樣的金屬導(dǎo)熱要高幾十倍，且兩端的溫差很小。運(yùn)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。3.3冷卻方法選擇例如功耗為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，能否需求對(duì)此機(jī)柜采取特殊的冷卻措施？能否可以把此機(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)，一切采用自然冷卻方法就可以滿足要求，因此不需求采取特殊冷卻方法，依托空氣的自然對(duì)流散熱就足夠了。由圖1可知，假設(shè)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)柜外表積減小到0.1m2〔自然冷卻所需的面積為0.75m2〕。假設(shè)設(shè)備的溫升有嚴(yán)厲限制，假設(shè)只允許10℃，由圖2可以看出，需強(qiáng)迫風(fēng)冷才干滿足要求。穩(wěn)態(tài)傳熱普通情況下，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，開關(guān)機(jī)能夠呵斥設(shè)備熱沖擊損壞。等等熱設(shè)計(jì)步驟1.熟習(xí)和掌握與熱設(shè)計(jì)有關(guān)的規(guī)范、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術(shù)和限制條件。3.對(duì)每個(gè)元器件進(jìn)展應(yīng)力分析，并根據(jù)設(shè)備可靠性及分配給每個(gè)器件的失效率，確定每個(gè)器件的最高允許溫度。確定每個(gè)發(fā)熱元器件的功耗。4.