電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)

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產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)

VCS項(xiàng)目散熱預(yù)研

歐國(guó)彥

2012-12-4

熱設(shè)計(jì)、冷卻方式、散熱器、熱管技術(shù)

電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)

一、為什么要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)

在調(diào)試或維修電路的時(shí)候，我們常提到一個(gè)詞“**燒了”，這個(gè)

**有時(shí)是電阻、有時(shí)是保險(xiǎn)絲、有時(shí)是芯片，可能很少有人會(huì)追究這

個(gè)詞的用法，為什么不是用“壞”而是用“燒”？其原因就是在機(jī)電

產(chǎn)品中，熱失效是最常見(jiàn)的一種失效模式，電流過(guò)載，局部空間內(nèi)短

時(shí)間內(nèi)通過(guò)較大的電流，會(huì)轉(zhuǎn)化成熱，熱**不易散掉，導(dǎo)致局部溫度

快速升高，過(guò)高的溫度會(huì)燒毀導(dǎo)電銅皮、導(dǎo)線和器件本身。所以電失

效的很大一部分是熱失效。

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)的變化一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。

那么問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，如果假設(shè)電流過(guò)載嚴(yán)重，但該部位散熱極好，

能把XX控制在很低的范圍內(nèi)，是不是器件就不會(huì)失效了呢？答案為

“是”。

由此可見(jiàn)，如果想把產(chǎn)品的可靠性做高，一方面使設(shè)備和零部件

的耐高溫特性提高，能承受較大的熱應(yīng)力（因?yàn)榄h(huán)境溫度或過(guò)載等引

起均可）；另一方面是加強(qiáng)散熱，使環(huán)境溫度和過(guò)載引起的熱量全部

散掉，產(chǎn)品可靠性一樣可以提高。

二、散熱設(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。

三、散熱設(shè)計(jì)的方法

1、冷卻方式的選擇

我們機(jī)電設(shè)備常見(jiàn)的是散熱方式是散熱片和風(fēng)扇兩種散熱方式，

有時(shí)散熱的程度不夠，有時(shí)又過(guò)度散熱了，那么何時(shí)應(yīng)該散熱，哪種

方式散熱最合適呢？這可以依據(jù)熱流密度來(lái)評(píng)估，熱流密度=熱量/

熱通道面積。

按照《GJB/Z27-92電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定（如下圖

1）,根據(jù)可接受的xx的要求和計(jì)算出的熱流密度，得出可接受的散

熱方法。如xx40℃（縱軸），熱流密度0.04W/cm2（橫軸），按下圖找

到交叉點(diǎn)，落在自然冷卻區(qū)內(nèi)，得出自然對(duì)流和輻射即可滿足設(shè)計(jì)要

求。

101

6

P4

S

2

市

2

房10

6

4

2

10

6

4

2

1

10-'24610_,24610。246102

冷卻方法的選擇W/cm，

大部分散熱設(shè)計(jì)適用于上面這個(gè)圖表，因?yàn)榛旧仙岫际峭ㄟ^(guò)

面散熱。但對(duì)于XX設(shè)備，則應(yīng)該用體積功率密度來(lái)估算，熱功率密

度=熱量/體積。下圖（圖2）是XX要求不超過(guò)40℃時(shí)，不同體積

功率密度所對(duì)應(yīng)的散熱方式。比如某電源調(diào)整芯片，熱耗為0.01W,

體積為0.125cm3,體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3,查下圖得

出金屬傳導(dǎo)冷卻可滿足要求

溫升要求為40度時(shí)，根據(jù)體積功率密度的不同，選擇適用的冷卻方式。

（適用于密封單元的冷卻）

按照上圖，可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導(dǎo)熱一強(qiáng)

迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻

射、自然對(duì)流等方法冷卻；0.122-0.43W/cm3強(qiáng)迫風(fēng)冷；0.43-

0.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸發(fā)冷卻。注意這是xx要求40℃時(shí)

的推薦參考值，如果xx要求低于40℃,就需要對(duì)散熱方式降額使用,

0.122時(shí)就需要選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷，如果要求xx很低，甚至要選擇液冷

或蒸發(fā)冷卻了。

2、散熱器的選擇

這里面還應(yīng)注意一個(gè)問(wèn)題，是不是強(qiáng)迫風(fēng)冷能滿足散熱要求，我

們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速呢，當(dāng)然不是，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有

直接關(guān)系，這里又涉及一個(gè)新概念一一熱阻。

熱阻=溫度差/熱耗（單位。C/W）

熱阻越小則導(dǎo)熱性能越好，這個(gè)概念等同于電阻，兩端的溫度差

類似于電壓，傳導(dǎo)的熱量類似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一

些計(jì)算，如果我們?cè)跓嵩O(shè)計(jì)方面要求不是很苛刻，可通過(guò)估算或?qū)嶒?yàn)

得出，如果要求很苛刻，可以查閱《GJB/Z27-92電子設(shè)備可靠性熱

設(shè)計(jì)手冊(cè)》，里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合，三言兩語(yǔ)說(shuō)不清楚,

個(gè)別系數(shù)我也沒(méi)搞xx如何與現(xiàn)實(shí)的風(fēng)道設(shè)計(jì)結(jié)合，比如，風(fēng)道中有

一束電纜、風(fēng)道的壁不是均勻的金屬板，而是有高低不平帶器件的電

路板，對(duì)一些系數(shù)則只能估算了，最準(zhǔn)確的方式反而是實(shí)驗(yàn)測(cè)量了。

熱阻更多的是用于散熱器的選擇，一般廠家都能提供這個(gè)參數(shù)。

舉例，芯片功耗20W,芯片表面不能超過(guò)85C,最高環(huán)境溫度55℃,

計(jì)算所需散熱器的熱阻R。

計(jì)算：實(shí)際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.l℃/w,則

(R+0.1)=(85-55)℃/20W,則R=L4℃/W。依據(jù)這個(gè)數(shù)值選散熱器就

可以了。

這里面注意一個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谟?jì)算中默認(rèn)為熱耗N芯片功率，對(duì)

一般的芯片，我們都可以這樣估算，因?yàn)樾酒袥](méi)有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，沒(méi)有

其他的能量轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì)，大部分是通過(guò)熱量轉(zhuǎn)化掉了。而對(duì)于電源轉(zhuǎn)換

類芯片或模塊，則不可以這樣算，比如電源，它是一個(gè)能源輸出，它

的輸入電量一部分轉(zhuǎn)化成了熱，另外很大部分轉(zhuǎn)化成電能輸出了，這

時(shí)候就不能認(rèn)為熱耗七功率。

3、散熱器的設(shè)計(jì)方法

3.1、散熱器設(shè)計(jì)的步驟

通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步

a:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處xx。

b: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。

c:進(jìn)行校核計(jì)算。

3.2、自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法

3.2.1、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21.2倍齒高來(lái)確定散熱器的齒間距。

3.2.2、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。

3.2.3、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。

3.2.4、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。

3.3、強(qiáng)迫冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法

331、在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的xx一般應(yīng)小于0.5mm。

3.3.2、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2mm0

3.3.3、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)。

3.3.4、當(dāng)風(fēng)速大于lm/s(200CFM)時(shí)，可完全忽略浮升力對(duì)表

面換熱的影響。

3.4、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

不同冷卻條件下對(duì)應(yīng)的散熱器體積熱阻

冷卻條件散熱器體積熱阻℃—crrPAV

自然冷卻500-800

1.0m/s(200CFM)150-250

2.5m/s(500CFM)80-150

5.0m/s(1000CFM)50-80

注意：只能作為初選散熱器的參考，不能用它來(lái)計(jì)算散熱器的熱阻，散熱器的

實(shí)際熱阻需按附錄A提供的方法計(jì)算。

3.5、在一定的冷卻體積及流向XX下，確定散熱器齒片最佳間距

的大小的方法

不同冷卻條件及流向長(zhǎng)度與散熱齒片最佳齒間距的關(guān)系

冷卻條件流向長(zhǎng)度(mm)

75150225300

自然冷卻6.57.51013

1.0m/s(200)4567

2.5m/s(500)2.53.345

5.0m/s(1000)22.533.5

3.6、不同形狀、不同的成型方法的散熱器的熱傳遞效率比較的

大小的方法

表1不同形狀、不同的幡方法的散熱器的傳熱效率

散熱器成型方法傳熱效率，%

沖壓件/光表面散熱器10-18低

懿弭的壓鑄散熱器/常規(guī)鋁型材15-22較低

25-32較高

小齒硼巨鋁黝才45-48高

針裝散熱器/釬焊插片哪散熱器（冷板散78-90很高

遍

3.7、散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法

3.7.1、相似準(zhǔn)則數(shù)的定義

BasicdefinitionQV

Ahs5

』

9△P?A*.Cp

?cpam

MechanicalpowerAp=pressuredrop

E=ApVV=volumeflow

Finfrontvelocity

Aff=finfrontarea

V

3.7.2、相似準(zhǔn)則數(shù)的應(yīng)用

d/t[%]

3.8、散熱器的基本的優(yōu)化方法

山川山川山wiun300

■

Bottomplate

tHidcness

69

66.00

32

54.63

394

325

257

188

119

T-|BP=thermalefficienoyforthebottomplete

<Rthiso=thermalresistancehadthebottomplatebeenisothermal

Rth=actualthiermalresistance

3.9、不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法

Heatdiss[W]

15

m/s

m/s

.5m/s

Pitch[mm]

Hsink02-02-13

3.10、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

§5F°Pt

L

5=displacementthickness

1.826-L

L=finlength

JR巳i.

s=optimumfin-tofindistance

23opt

w0=incomingvelocity

W0L

kinematicviscosity

3.11＞輻射換熱的考慮原則

①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xx區(qū)。而在XX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)。

②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)。

③如果物體表面的溫度低于50℃,可不考慮輻射換熱的影響。

④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，如下圖所示。輻射

傳熱要求輻射表面必須彼此可見(jiàn)。

4、風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法

4.1、自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)

4.1.1＞設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

/機(jī)柜的后門（面板）不須開通風(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)開通風(fēng)口外,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開

通風(fēng)口。

4.1.2、典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式

4.2、強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)

4.2.1＞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XX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，局部阻力小；

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；

4.2.2、電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式

4.2.3、電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式

5、熱設(shè)計(jì)的思路

以上部分是定量設(shè)計(jì)部分的內(nèi)容，在有了一個(gè)定量的設(shè)計(jì)指導(dǎo)后,

也有一些具體的工程技巧來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算結(jié)果的要求。一般的熱

設(shè)計(jì)思路有三個(gè)措施：降耗、導(dǎo)熱、布局。

5.1、降耗

降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響；布局是熱

也沒(méi)散掉但通過(guò)措施隔離熱敏感器件；有點(diǎn)類似于電磁兼容方面針對(duì)

發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個(gè)措施。

降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設(shè)計(jì)方案是兩

個(gè)主要途徑，低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不予贅述。

器件選型時(shí)盡量選用發(fā)熱小的元器件，如片狀電阻、線繞電阻（少用

碳膜電阻）；獨(dú)石電容、鋁電容（少用紙介電容）；MOS、CMOS電路（少

用錯(cuò)管）；指示燈采用發(fā)光二極管或液晶屏（少用白熾燈），表面安裝

器件等。除了選擇低功耗器件外，對(duì)一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫

度補(bǔ)償與控制也是解決問(wèn)題的辦法之一，尤其是放大電路的電容電阻

等定量測(cè)量關(guān)鍵器件。

降額是最需要考慮的降耗方式，假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線，標(biāo)稱能通過(guò)10A

的電流，電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多，把導(dǎo)線xx,增大余量，標(biāo)

稱通過(guò)20A的電流，則同樣都是通過(guò)10A電流時(shí)，因?yàn)閮?nèi)阻產(chǎn)生的熱

損耗就會(huì)減小，熱量就小。而且因?yàn)榻殿~，在環(huán)境溫度升高時(shí)，器件

性能下降情況下，但因?yàn)橛杏嗔?，即使性能下降，也能滿足要求，這

是降額對(duì)于增強(qiáng)可靠性的另一個(gè)作用。

5.2、導(dǎo)熱

導(dǎo)熱的設(shè)計(jì)規(guī)范比較多，挑一些比較常見(jiàn)的xx具體如下:

A、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑須經(jīng)過(guò)整個(gè)散熱通道，一般進(jìn)

風(fēng)口在機(jī)箱下側(cè)方角上，出風(fēng)口在機(jī)箱上方與其最遠(yuǎn)離的對(duì)稱角上；

B、避免將xx及排風(fēng)xx在機(jī)箱頂部朝上或面板上；

C、為防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道的橫截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面

積之和；

D、對(duì)靠近熱源的熱敏元件，采用物理隔離法或絕熱法進(jìn)行熱屏蔽。

熱屏蔽材料有：石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環(huán)氧玻璃纖維板，也可

用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷；

E、將散熱＞lw的零件安裝在機(jī)座上，利用底板做為該器件的散熱

器，前提是機(jī)座為金屬導(dǎo)熱材料；

F、熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須＞30度；

G、PCB用多層板結(jié)構(gòu)（對(duì)EMC也有非常非常大的好處），使電源

線或地線在電路板的最上層或最下層…

H、熱源器件專門設(shè)計(jì)在一個(gè)印制板上，并xx、隔離、接地和進(jìn)

行散熱處理；

I、散熱裝置（熱槽、散熱片、風(fēng)扇）用措施減少熱阻：

a、擴(kuò)大輻射面積，提高發(fā)熱體黑度；

b、提高接觸表面的加工精度，加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)

熱材料；

c、散熱器葉片要垂直印制板；

d、大熱源器件散熱裝置直接裝在機(jī)殼上；

J、xx電子設(shè)備內(nèi)外均xxxx輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器

件、熱源屏蔽罩內(nèi)面的輻射能力要強(qiáng)（xx）,外面光滑（不影響熱敏

器件），通過(guò)熱傳導(dǎo)散熱；

K、xx電子設(shè)備機(jī)殼內(nèi)外有肋片，以增大對(duì)流和輻射面積；

L、不重復(fù)使用冷卻空氣;

M、為了提高主要發(fā)熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相

似的風(fēng)道內(nèi)；

N、抽鼓風(fēng)冷卻方式的選擇…

0、風(fēng)機(jī)的選擇…

P、被散熱器件與散熱器之間充填導(dǎo)熱膏（脂），以減小接觸熱阻；

Q、被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸，接觸表面光滑、平

整，接觸面粗糙度RaW6.3um；

R、輻射是真空中傳熱的唯一方法

a、確保熱源具有高的輻射系數(shù)，如果處于嵌埋狀態(tài)，利用金屬傳

熱器傳至冷卻裝置上；

b、增加輻射黑度￡；

c、增加輻射面積s；

d、輻射體對(duì)于吸收體要有良好的視角，即角系數(shù)。要大；

e、不希望吸收熱量的零部件，壁光滑易于反射熱。

S、機(jī)殼表面溫度不高于環(huán)境溫度10℃；

T、液體冷卻設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)…

U、半導(dǎo)體致冷適用于…

V、變壓器和電感器熱設(shè)計(jì)檢查項(xiàng)目…

W、減小強(qiáng)迫對(duì)流熱阻的措施…

X、降低接觸熱阻的措施…

5.3＞布局

A、元器件布局減小熱阻的措施：

a、元器件安裝在最佳自然散熱的位置上;

b、元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無(wú)絕熱或隔熱物;

C、發(fā)熱元件分散安裝；

d、元器件在印制板上豎立排放。

B、元器件排放減少熱影響：

a、有通風(fēng)口的機(jī)箱內(nèi)部，電路安裝應(yīng)服從空氣流動(dòng)方向：進(jìn)風(fēng)口

f放大電路一邏輯電路一敏感電路一集成電路f小功率電阻電路一

有發(fā)熱元件電路一出風(fēng)口，構(gòu)成良好散熱通道；

b、發(fā)熱元器件要在機(jī)箱上方，熱敏感元器件在機(jī)箱下方，利用機(jī)

箱金屬殼體作散熱裝置。

C、合理布局準(zhǔn)則：

a、將發(fā)熱量大的元件安裝在條件好的地方，如靠近xx；

b、將熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風(fēng)向平行,

利于熱對(duì)流。

c、在自然對(duì)流中，熱流通道盡可能短，橫截面積應(yīng)盡量大；

d、冷卻氣流流速不大時(shí)，元件按叉排方式排列，提高氣流紊流程

度、增加散熱效果；

e、發(fā)熱元件不安裝在機(jī)殼上時(shí)，與機(jī)殼之間的距離應(yīng)＞35—40cm。

D、冷卻內(nèi)部部件的空氣進(jìn)口須加過(guò)濾裝置，且不必拆開機(jī)殼即可

更換或清洗；

E、設(shè)計(jì)上避免器件工作熱環(huán)境的穩(wěn)定性，以減輕熱循環(huán)與沖擊而

引起的溫度應(yīng)力變化。溫度變化率不超過(guò)l℃/min,溫度變化范圍不

超過(guò)20C,此指標(biāo)要求可根據(jù)產(chǎn)品不同由廠家自行調(diào)整；

F、元器件的冷卻劑及冷卻方法應(yīng)與所選冷卻系統(tǒng)及元件相適應(yīng)，

不會(huì)因此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電解腐蝕；

G、冷卻系統(tǒng)的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%—6%；

H、冷卻時(shí)，氣流中含有水分，溫差過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生凝露或附著，防

止水份及其它污染物等導(dǎo)致電氣短路、電氣間隙減小或發(fā)生腐蝕。

措施：a、冷卻前后溫差不要過(guò)大；

b、溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生凝露的部位，水分不會(huì)造成堵塞或積水；

c、如果有積水，積水部位的材料不會(huì)發(fā)生腐蝕；

d、對(duì)裸露的導(dǎo)電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施;

上面對(duì)降耗、導(dǎo)熱、布局的三類措施作了簡(jiǎn)要的XX,在我們?cè)O(shè)計(jì)

一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，也要有一些系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如

電子設(shè)備的進(jìn)口空氣與出口空氣溫差應(yīng)＜14℃、系統(tǒng)總功耗＜**W、

系統(tǒng)用到的電源電壓不超過(guò)**種(種類越多，變換就多，效率損失就

多)…

四、熱設(shè)計(jì)的計(jì)算

1、熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論

1.1、自然對(duì)流換熱

1.1.1、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

表面出狀及管用C.n值定熨尺寸

流6Cn

＜ii在:?里及垂n網(wǎng)柱層漁0.59UHU高度h

素液0.11月3H

水平同柱層詼1.020.11H圈柱外冷D

0.H50.I8H

0.4H0.25

叁演0.125IH3II

熱血刷1或冷面⑴卜的水T或?qū)佣?.51IH1II珈彬取兩個(gè)邊K

1.1.2、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6與高度之比6/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=(BgZU

83)/u3<2000時(shí)，通過(guò)夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過(guò)程計(jì)算。

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(8/h)n

定型尺寸為厚度5,定性溫度為冷熱壁面的平均溫度

Tm=(twl+tw2)

1.2、流體受迫流動(dòng)換熱

1.2.1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xx段及溫度場(chǎng)等

因素對(duì)換熱的影響。

XX段：流體從進(jìn)入管口開始需經(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XX段。XX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)XX段進(jìn)行XX。在紊流時(shí)，如果管長(zhǎng)與管內(nèi)徑

xxL/d>50則可忽略xx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=O.15ReO.33PrO.43GrO.1(Pr/Prw)0.25

管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式：

tw>tfNu=O.023Re0.8PrO.4.

tw<tfNu=O.023Re0.8PrO.3

1.3、流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1.3.1、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=yQ

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

1.3.2＞濕xx與水力半徑

濕XX：過(guò)流斷面上流體與固體壁面相接觸的XX界XX。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xxx稱為水力半徑，應(yīng)

符號(hào)R表示，單位

1.3.3、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：P1V1A1=P1V2A2

1.3.4、恒定流能量方程

對(duì)理想流體：Z+p/y+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：

Zl+pl/y+vl2/2g=Z2+p2/y+v22/2g+hw

1.3.5、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榛阻力。

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。

1.3.6>層流、紊流與xx

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/v<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榛阻力，而紊流狀態(tài)下除摩

榛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/v<2300紊流

1.3.7、管內(nèi)層流沿程阻力計(jì)算（達(dá)西公式）

hf=入(L/de)(PV2/2)

入一沿程阻力系數(shù)，入=64/Re

1.3.8、管內(nèi)紊流沿程阻力計(jì)算

hf=入(L/de)(PV2/2)

、=f(Re,￡/d),即紊流時(shí)沿程阻力系數(shù)不僅與xx有關(guān)，還與

相對(duì)粗糟度￡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,人采用布拉xx公式計(jì)算：

入=0.3164/Re0.25

1.3.9、xx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xx管,

只需把園管直徑換成當(dāng)量水力直徑。

de=4A/x

1.3.10、局部阻力

hj=&PV2/2

€一局部阻力系數(shù)

突然擴(kuò)大：按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：U=(1-A1/A2)

按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：C2=(1-A2/A1)

突然縮小：可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。

2、機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算

＞XX機(jī)箱

WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)At1.25+4oeTm3△T

＞對(duì)通風(fēng)機(jī)箱

WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)At1.25+4oeTm3△T+lOOOuAAT

＞對(duì)強(qiáng)迫通風(fēng)機(jī)箱

WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)At1.25+4oeTm3△T+lOOOQfAT

［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￡=0.96,外表面

的溫度為35C,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：xx機(jī)箱的最大散熱量

QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Atl.25+4oeTm3F輻射Qt

=1.86(1.4X0.25+0.4X0.3X4/3)X101.25+4X5.67X10-

8X0.96X(0.4X0.3+1.4X0.25)X3083X10

=16.87+29.9=46.78W<Q=55W

顯然，xx機(jī)箱不能夠滿足散熱要求，需開通風(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)Atl.25+4。eTm3F輻射

At+lOOOuSinAt

55=1.86(1.4X0.25+0.4X0.3X4/3)X10

1.25+4X5.67X10-8X0.96XX(0.4X

0.3+1.4X0.25)X3083X10+1000X0.IXSinXIO

Sin=82.2cm

3、自然冷卻時(shí)進(jìn)風(fēng)口面積的計(jì)算

在機(jī)柜的前面板上開各種形式的xx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/(7.4X10-5HXAt1.5)

s-通風(fēng)口面積的大小，cm2

Q-機(jī)柜內(nèi)總的散熱量，W

H-機(jī)柜的高度，cm,約模塊高度的L5T.8倍，

△t=t2-tl—內(nèi)部空氣t2與外部空氣溫度tl之差，℃

出風(fēng)口面積為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5-2倍

4、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=O.785(<t>in2-4)hub2)

無(wú)風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=(l.1-1.5)Sfan

>系統(tǒng)

在后面板(后門)上與模塊層對(duì)應(yīng)的位置開通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積

大小應(yīng)為：

S=(1.5-2.0)(NXS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

［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680nlm,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=2X7U=14U

進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算：

Sin=Q/(7.4X10-5XHXAtl.5)

=360/(7.4X10-5X14X4.44X201.5)=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=128.7mm

b出風(fēng)口面積Sout

Sout=(l.5-2.0)Sin=2X875=1750cm2

5、實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法

q'=Q/(0.335AT)

q實(shí)際所需的風(fēng)量，M3/h

Q---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xx量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：

q=(l.5-2)q'按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號(hào)。

［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/(O.335At)=800/(0.335X15)=159.2m3/h

按照2倍的xx量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：

q=2q'=2X159.2=318.4m3/h

下表風(fēng)扇為可選型號(hào)

6、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。

1^4=區(qū)對(duì)+區(qū)導(dǎo)+R輻

R對(duì)=1/(heFl)

Fl一對(duì)流換熱面積(m),he-對(duì)流換熱系數(shù)(w/m2.k)

R輻一輻射換熱熱阻，對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷可忽略不計(jì)

對(duì)自然冷卻R輻=1/(46eTm3)

區(qū)導(dǎo)=區(qū)基板+R肋導(dǎo)

=6/(入F2)+((1/n)T)R對(duì)流

入一導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h.℃

5-散熱器基板厚度(m)

H—肋效率系數(shù)

F2--基板的導(dǎo)熱面積(m)

F2=0.785*(d+6)2

d-發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑(m)

＞對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算

自然對(duì)流

垂直表面

hcs=l.414(At/L)0.25,w/m.k

式中：散熱表面與環(huán)境溫度的平均xx,℃

L一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=l.322(At/L)0.25,w/m.k

式中：散熱表面與環(huán)境溫度的平均xx,℃

L一散熱表面的特征尺寸，取L=2(長(zhǎng)X寬)/(長(zhǎng)+寬)，m

水平表面，熱表面朝下

hcb=0.661(At/L)0.25,w/m.k

式中：散熱表面與環(huán)境溫度的平均xx,℃

L一散熱表面的特征尺寸，取L=2(長(zhǎng)X寬)/(長(zhǎng)+寬)，m

強(qiáng)迫對(duì)流

層流Ref<105

hc=(1.1-1.4)X空氣0.66Ref0.5/L

湍流Ref>105

hc=(1.1-1.4)入空氣0.032Ref0.8/L

＞肋片效率

對(duì)直齒肋：

n=th(mb)/(mb))

m=(2he/X80)

50：肋片根部厚度(m)

b.肋高(m)

＞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

=入f?L/de?PV22/2+CPV22/2

入f一沿程阻力系數(shù)

L一流向xx(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)算入f

層流區(qū)：Re=Vd/uW2300入f=64/Re

紊統(tǒng)光滑區(qū)4000<Re<105Xf=0.3164/ReO.25

u—運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)(m2/s),從文獻(xiàn)中查找

局面阻力系數(shù)C

突然擴(kuò)大

按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：C1=(1-A1A2)

按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：C2=(1-A2/A1)

突然縮小

可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。

【案例】散熱器DXC-616(xx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xx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70Pao

風(fēng)道阻力曲線的計(jì)算

xx面積：Fin=0.785XD2=0.785X0.1192=0.01116m2

流通面積:Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338X10-3m2

水力直徑：de=4Ff/x=4X3.338X10-3/2.302=5.8X10-3m

由于風(fēng)速較低，一般最大不會(huì)超過(guò)6m/s,xx<2300,沿程阻力系

數(shù)按下式計(jì)算：入=64/Re=64v/Vde

沿程阻力按下式計(jì)算：

hf=入(L/de)(PV2/2)=(64v/Vde)(L/de)(PV2/2)

=(64X16.96X10-6X0.24/(VXO.00582))(PV2/2)

=(8.07/V)(pV2/2)

局部阻力按下式計(jì)算：

hj=&PV2/2

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

總阻力損失H=hf+hj=(O.38+8.07/V)(PV2/2)

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

xxRef=VXL/v=5X0.24/16.96X10-6=5.6604X104

努謝爾特?cái)?shù)：Nuf=O.66RefO.5=0.66(5.6604X104)0.5=157

對(duì)流換熱系數(shù)：hc=l.4XNuf/L=21.7w/m.k

m=（2he/人8）0.5=9.82

ml=9.82X0.03=0.295,查得：n=0.96

該散熱器的最大散熱量為（散熱器臺(tái)面xx按最大40℃考慮）：

Q=hcFAtn=460.4W

計(jì)算結(jié)果表明，散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。

7、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+tl+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=bXAcO

確定定性溫度下的物性參數(shù)（P、Cp、P、Pr）0

流體的質(zhì)量流速和xxG=qm/AfRe=deG/u

根據(jù)xx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)J

Re<1800,層流J=6/Re0.98Re>105,湍流J=0.023/Re0.2

也可以根據(jù)齒形及xx從GJB/Z27-92圖12—18查得

計(jì)算冷板的換熱系數(shù)：h=JGCpPr2/3

計(jì)算肋片的效率m=(2h/X8)0.5,nf=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,nO=l-Ar(l-nf)/A

計(jì)算傳熱單元數(shù)NTU=hn0A/qmCp

計(jì)算冷板散熱器的臺(tái)面溫度

ts=(eNTUt2-tl)/(eNTU-l)

>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

o=Af/Ac

查空氣進(jìn)入冷板時(shí)xx的損失系數(shù)Kc=f(Re,。)：根據(jù)xxRe及

。從GJB/Z27-92圖12—16及圖12—16查得

查摩擦系數(shù)f=f(Re,。)：根據(jù)xxRe從GJB/Z27-92圖12-

18查得

計(jì)算流動(dòng)阻力

△P=G2[(Kc+1-。2)+2(P2/Pl-l)+f

P1A/(Afpm)-(l-o2-Ke)P1/P2]/(2P1)

＞判斷準(zhǔn)則

確定是否滿足如果不滿足，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

【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xx小于30℃(在40c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)X9.5/2=30.4mm2

每排有29個(gè)梯形小通道，共22排，n=29X22=638個(gè)

基板厚度為：9mm

總的流通面積Af=30.4X29X22=0.0193952m2

冷板的橫截面積Ac=120X120X2=0.0288m2

水力半徑:de=4Afi/x=4X30.4/(2X9.5+3.8+2.6)=4.787mm

確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)

Re=deG/u=deqm/pAf

在40℃空氣的物性參數(shù)為：u=19.lX10-6kg/m.s,P1=

1.12kg/m3

Re=(4.787X10-3X1.12X0.30483

qml/(60X19.1X10-6X0.0193952)

=6.831qml(qml的單位為：CFM)

o=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673

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：

5()

100150200

雷諾數(shù)比341.54683.11,024.621,366.2

質(zhì)量流速G(kg/s)1.392.794.185.57

Kc+1-021.021.021.021.02

l-o2-Kc-0.4-0.4-0.4-0.4

fA/A,-5.633.943.272.59

△P(Pa)5.1815.12942.3

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

xx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.H20),工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s。

空氣流過(guò)冷板后的溫升

空氣口溫度為40℃,P1=1.12kg/m3,Cp=1005.7J/kg.℃

u=19.1X10-6kg/m.s,Pr=0.699

質(zhì)量流量qm=0.080231X1.12=0.08986kg/s

△t=Q/qmCp=870.5/0.08986X1005.7=9.63℃

定性溫度:tf=(2ts+tl+t2)=(2X80+40+49.63)/4=62.4℃

按定性溫度查物性得：P1=1.06kg/m3,

Cp=1005.7J/kg.℃u=20.1X10-6k

g/m.s,Pr=0.696

換熱系數(shù)

質(zhì)量流速G=qm/Af=4.14X1.12=4.64kg/m2.s

xxRe=deG/u=4.787X10-3X4.64/(20.1X10-6)=1105.1層流

J=6/Re0.98=6/1105.10.98=6.25X10-3

h=JGCpPr-2/3=6.25X10-3X4.64X1005.7X0.696-2/3

=37.14W/m2.℃

肋片效率m=(2h/X6)0.5=(2X37.14/(180

X0.001))0.5=20.3

ml=20.3X0.11=2.23

nf=th(ml)/ml=th⑵23)/2.23=0.433

傳熱單元數(shù):NTU=hH0A/qmCp=37.14X0.433X3.241=0.5772

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

冷板設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。

8、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+PTXRth(j-s)

Rth(j-s)=Rjc+Rcs+Rb

Rth(j-s)—器件結(jié)到散熱器的熱阻，。C/W。

Rjc-器件結(jié)殼熱阻，。C/W,從器件使用手冊(cè)中查得

Res-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，C/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+PTXRth(j-a)

Rth(j-a)=Rsa+Rjc+Rcs+Rb

Rth(j-a)一器件結(jié)到環(huán)境的熱阻，℃/W。

Rsa一散熱器熱阻，℃/W

［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0.45C/W,接觸熱阻

為0.15C/W,絕緣墊片的熱阻為0.3C/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℃/w

Tj=Ts+PdXRjs=94.6+44.2X0.9=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℃0

Rjs=Rsa+Rjc+Rcs+Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/w

Tj=Ta+PTXRth(j-a).=40+44.2X1.7=115.2℃

9、風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法

9.1、風(fēng)扇定律

Basic(corrected^fanlaws

WhenfanspeedWhenairdensitycl

WRONG!CFM=CFM(density/c

AirflowCFM2=CFM1(RPM2/RPM1)212

2

PressureP廣P1(RPMJRPMJP?=P[(density?/de

3

PowerHP,=HP[(RPMyRPMJHP?=HP1(density2/(

NoiseN2=N1+50log10(RPM2/RPM,N2=N1+20log10(densi

9.2、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)65dBo

＞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+50loglO(RPM2/RPM1)

【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85c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+50loglO(RPM2/RPM1)

=40+50loglO(1000/2000)=24.9db

P2=P1(RPM2/RPMD2

=0.3(1000/2000)2=0.075IN.H20

CFM2=CFM1(RPM2/RPM1)

=50(1000/2000)=25CFM

10、海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策

10.k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)xx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。

he（高空）=hc（海平面）（P高空/P海平面）0.5

=hc（海平面）（p高空/p海平面）0.5

he（高空），he（海平面）一分別為高空及海平面的自然對(duì)流換

熱系數(shù)，W/m.k

P高空，P海平面一分別為高空及海平面的空氣密度，Kg/m3

P高空，P海平面一分別為高空及海平面的空氣壓力，XX

10.2、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，xx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：he（高空）=hc（海平面）（P高空/P海平面）0.5

湍流：he（高空）=hc（海平面）（P高空/P海平面）0.8

he（高空），he（海平面）一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海平面一分別為高空及海平面的空氣壓力，XX

10.3、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）/（P高空/P海平面）0.5

10.4.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）/（P高空/P海平面）0.5

＞提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速

RPM2/RPM1=P海平面/P高空

五、熱仿真技術(shù)

1、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)

2、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