熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)完整版本

產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法1/31/20241前言為什么要進(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—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。

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。2概述熱傳遞的三種方式風(fēng)路的設(shè)計(jì)基本方法

產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)3熱能傳遞只有3種方式。分別為“傳導(dǎo)”、“對(duì)流”及“熱輻射”。請(qǐng)注意，傳導(dǎo)與對(duì)流表面文字好像相似，但絕不相同！

下面是熱的三種傳遞方式的形象說(shuō)明：熱傳遞的三種方式41.傳導(dǎo)傳導(dǎo)是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。

例如：鋁和鐵的導(dǎo)熱性都很出色。這就是傳導(dǎo)。

如果用數(shù)值表示導(dǎo)熱性，樹(shù)脂為0.2～0.3，鐵為49，鋁為228，銅為386。這些都是指該物質(zhì)的導(dǎo)熱率，單位為“W/（m·℃）”。越容易導(dǎo)熱的物質(zhì)，該數(shù)值越大。

如果用一句話來(lái)表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長(zhǎng)1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1℃時(shí)，會(huì)流動(dòng)多少W”。如果將其單位“W/（m·℃）”寫(xiě)成

熱傳遞的三種方式52.對(duì)流（自然對(duì)流/受迫流動(dòng)）對(duì)流是指熱能通過(guò)與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請(qǐng)大家聯(lián)想一下吃熱拉面時(shí)的情景。用嘴吹一下，拉面就會(huì)變涼。那就是利用熱對(duì)流使熱從拉面表面向吹出的空氣傳遞的結(jié)果。

這也可用數(shù)值表示。比如，流體為水，散熱面水平放置時(shí)，自然對(duì)流就為（2.3～5.8）×100，受迫對(duì)流就為（1.2～5.8）×1000，水沸騰時(shí)就為（1.2～2.3）×10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2·℃）”。

這個(gè)單位很容易理解。由于是“W/（面積·溫度差）”，因此它的意思就是“面積為1m2的面與周圍流體的溫度差為1℃時(shí)，會(huì)從該面?zhèn)鬟f多少W熱量”。

熱傳遞的三種方式6（1）自然對(duì)流的傳熱系數(shù)空氣自然對(duì)流時(shí)的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。這里出現(xiàn)兩個(gè)新詞，分別為“姿勢(shì)系數(shù)”和“代表長(zhǎng)度”。這些是根據(jù)面的形狀及設(shè)置方向定義的。下圖分別顯示了垂直和水平設(shè)置平板時(shí)的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢(shì)系數(shù)及代表長(zhǎng)度。

熱傳遞的三種方式我們?cè)谧鰷囟壬仙龑?shí)驗(yàn)時(shí)，機(jī)器的放置狀態(tài)和最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有關(guān)系的！7（2）空氣受迫流動(dòng)時(shí)傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)受散熱面設(shè)置狀況的影響較大。根據(jù)流體的種類、流速及流動(dòng)方向等，數(shù)值會(huì)發(fā)生變化。因此，計(jì)算傳熱系數(shù)的公式會(huì)根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。

比如，有一個(gè)溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動(dòng)空氣時(shí)（受迫對(duì)流），可用左圖的公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點(diǎn)。

①傳熱系數(shù)與流速的平方根（√）成比例

→流速提高至2倍，傳熱系數(shù)也只提高至1.4倍

②如果冷卻面積相同，流動(dòng)的距離越長(zhǎng)，傳熱系數(shù)越低

→在冷卻面上流動(dòng)的空氣吸熱后，會(huì)在溫度上升的同時(shí)繼續(xù)流動(dòng)，因此冷卻能力會(huì)越來(lái)越弱

總之，冷卻熱的物體時(shí)，與使用強(qiáng)風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴(kuò)大散熱面，使整體通風(fēng)的方法更有效。

熱傳遞的三種方式8熱傳遞的三種方式3.熱輻射輻射是指經(jīng)由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式。被電爐發(fā)出的紅色光照射后，會(huì)感到溫暖。這就是熱輻射。太陽(yáng)的熱量穿過(guò)真空宇宙到達(dá)地球，這也屬于輻射。

輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸放，而白色較難。

如果用數(shù)值來(lái)表示，其數(shù)值范圍為0～1。理論上來(lái)講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.05～0.5，鐵為0.6～0.9，黑色樹(shù)脂為0.8～0.9。這就是熱輻射率（沒(méi)有單位）。

此處公開(kāi)的公式是一個(gè)近似式，用于計(jì)算設(shè)置在空氣中的物體向周圍的空氣進(jìn)行輻射時(shí)傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時(shí)，可利用該公式準(zhǔn)確計(jì)算出結(jié)果。

熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計(jì)算出“從表面溫度為○○℃的方形箱體表面會(huì)向空氣中釋放多少W的熱量”。

至此，總結(jié)了“熱設(shè)計(jì)的3條基礎(chǔ)知識(shí)”。不論是感覺(jué)“公式很難”的人，還是“早就知道”的人，只要了解這3條就足夠了。

9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10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)11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12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

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)。在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。13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14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。15熱設(shè)計(jì)的一般材料一般散熱材料的熱傳導(dǎo)能力。16熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管技術(shù)計(jì)算機(jī)CPU用熱管散熱器0.35°C/Wat90wattswith2m/sairflowthermalresistance.45°C/Wat400ft/min17DesktopPC熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管技術(shù)-熱管的應(yīng)用18熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)熱管技術(shù)Therma-Base?heatsinks與型材散熱器的比較19熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)

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