热设计讲座

二、热电模拟网络
利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。 恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电 流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉 等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热 电模拟网络。
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三、传热路径
从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一 般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、 肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温 度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热 沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所 处的环境。
度和热点温度 2. 使热设计最优化，以提高可靠性
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课程主要内容



电子设备热设计要求 电子设备热设计方法 冷却方法的选择及主要电子器件的热特性 电子设备的自然冷却设计 电子设备的强迫风冷设计 肋片式散热器设计 冷板、热电致冷及热管散热器设计 电子设备热性能评价及改进 计算机辅助热分析技术
对流换热采用牛顿冷却公式计算
hc A(tw t f )
式中：hc —— 对流换热系数，W/(m2· ℃ )；
A —— 对流换热面积，m2；
tw —— 热表面温度，℃； tf —— 冷却流体温度，℃。
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三、辐射
辐射能以电磁波的形式传递
任意物体的辐射能力可用下式计算
A 0T 4

热设计应满足对冷却系统的限制要求


供冷却系统使用的电源的限制（交流或 直流及功率） 对强迫冷却设备的振动和噪声的限制


对强迫空气冷却设备的空气出口温度的 限制 对冷却系统的结构限制（包括安装条件、 密封、体积和重量等）
热设计应符合与其相关的标准、规范规 定的要求
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1.2 热设计应考虑的问题
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热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
电子设备预期工作的热环境包括： 环境温度和压力（或高度）的极限值

环境温度和压力（或高度）的变化率
太阳或周围其它物体的辐射热载荷 可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压 力和湿度等） 冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降
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At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ—— 总传热系数，W/(m2· ℃ )； A —— 传热面积，m2； Δt —— 热流体与冷流体之间的温差，℃。
热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射
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一、导热
导热的微观机理
气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属 导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热 是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。
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第二章 电子设备热设计方法
2.1 热设计的基本问题
2.2 传热基本准则 2.3 换热计算
2.4 热电模拟
2.5 热设计步骤
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2.1 热设计的基本问题
耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给 定结构的工作温度 热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每 种传热形式所传递热量与其热阻成反比 在稳态条件下，存在着热平衡 热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数 所采用的冷却系统应该是最简单又最经济的， 并适用于特定的电气和机械设备、环境条件， 同时满足可靠性要求
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表 自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 和 值
2-1 C n
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二、自然对流换热的简化计算
对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器 件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可 以采用以下简化公式进行计算
/ A 2.5Ct1.25 / D0.25
式中： θ —— 热流密度，W/m2； A —— 换热面积，m2； C —— 系数，由表2-1查得； D —— 特征尺寸，m； Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
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c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
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2.5 热设计步骤
1. 熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备（或 元器件）的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境 温度范围。 2. 确定可利用的冷却技术和限制条件。 3. 对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配 给每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度。确 定每个发热元器件的功耗。 4. 画出热电模拟网络图。
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弯管修正系数εR为
d 气体： R 1 1.77 R
d 液体： R 1 10.3 R
其中R为弯管曲率半径。
3
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四、辐射换热计算方程
两物体表面之间的辐射换热计算公式为：
T1 4 T2 4 5.67 AF12 xt 100 100 1 xt 1 1 1 1 2
应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周 期费用降至最低，而可用性最高 热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的 可维修性 设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某 些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继 续工作的能力 对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其 它设备热空气的出口，以免过热 舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以 下工作；机载设备宜采用间接冷却
四、热阻的确定
确定热阻的步骤
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a. 根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高 允许温度 b. 确定设备或冷却剂的最高环境温度 c. 根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升 d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻
热阻的计算
t Rt
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。 R a. 平壁导热热阻： t A 1 b. 对流换热热阻： Rt hc A
电子设备热设计讲座
韩宁 中国电子学会教育部 2006年7月 北京
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为什么要掌握热设计技术
因为： 体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升

热设计是器件、设备和系统可靠性设计的 一项主要内容

散热问题是制约设备小型化的关键问题
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热分析的两个主要目的
1. 预计各器件的工作温度，包括环境温
式中：ε —— 物体的表面黑度；
σ0 —— 斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67³10-8 W/(m2· K4 ) ；
A —— 辐射表面积，m2； T —— 物体表面的热力学温度，K。
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2.3 换热计算
一、自然对流换热的准则方程
Nu CRa n
式中：Nu —— 努谢尔特数，Nu=hD/λ； Ra —— 瑞利数，Ra=Gr· Pr； Gr —— 格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2； Pr —— 普朗特数； C、n —— 由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值； h —— 自然对流换热系数， W/(m2· ℃ )； D —— 特征尺寸， m； λ —— 流体的导热系数， W/(m· ℃ )； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa· s； Δt —— 换热表面与流体的温差， ℃。
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热设计应与其它设计（电气设计、结构设计、可 靠性设计等）同时进行，当出现矛盾时，应进行 权衡分析，折衷解决 热设计中允许有较大的误差 在设计过程的早期阶段应对冷却系统进行数值分 析和计算
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2.2 传热基本准则
凡有温差的地方就有热量的传递。热量的传递 过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类 传热的基本计算公式为：
5. 由元器件的内热阻确定其最高表面温度。
6. 确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。
7. 根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。
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8. 对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否 合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能 够达到这些要求。 9. 选择使用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。 10. 估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对 比，以便找到最佳方案。 11. 热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电 磁兼容设计。
式中： T1、 T2 —— 物体1和物体2表面的绝对温度， K； ε1、 ε2 —— 物体1和物体2的表面黑度； εxt —— 系统黑度； A —— 物体辐射换热表面积， m2； F12 —— 两物体表面的角系数。 中国电子学会
2.4 热电模拟
一、热电模拟方法
将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电 位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导；对于瞬态传热问 题，可以把热容（cpqm）模拟为电容。这种模拟方法适用于各 种传热形式，尤其是导热。
第二章 电子设备热设计方法 第三章 冷却方法的选择
第四章 电子元器件的热特性
第五章 电子设备的自然冷却设计 第六章 电子设备用肋片式散热器 第七章 电子设备强迫空气冷却设计
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课程具体章节
第八章 电子设备用冷板设计 第九章 热电致冷器 第十章 热管散热器的设计 第十一章 电子设备的热性能评价 第十二章 现有电子设备热性能的改进 第十三章 计算流体及传热分析 第十四章 热设计实例
导热基本定律——傅立叶定律 t A x
式中：Φ —— 热流量，W； λ—— 导热系数，W/(m· ℃)； A —— 垂直与热流方向的横截面面积，m2； t / x —— x方向的温度变化率，℃/m。 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。 中国电子学会