电子产品热设计规范
A7.电子设备热设计规范
电子设备热设计准则1、概述1.1 热设计的目的采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运行的可靠性。
热设计的重点是通过器件的选择、电路设计(包括容差与漂移设计和降额设计等)及结构设计(主要是加快散热)来减少温度变化对产品性能的影响,使产品能在较宽的温度范围内可靠地工作。
1.减少设备(线路)内部产生的热量,应该是电路设计的一项指标;2.减少热阻,是电子设备结构设计的目的之一;3.保证电气性能稳定,热设计使元件不在高温条件下工作,以避免参数漂移,保持电气性能稳定;4.改善电子设备的可靠性;5.延长使用寿命。
1.2、热设计的主要内容电子设备冷却方法的选择要考虑的因素是:电子元器件(设备)的热耗散密度(即热耗散量与设备组装外壳体积之比)、元器件工作状态、设备的复杂积蓄、设备用途、使用环境条件(如海拔高度、气温等)以及经济性等。
①、元器件的热设计。
主要是减小元器件的发热量,合理地散发元器件的热量,避免热量蓄积和过热,降低元器件的温升,是设计考虑的一项主要指标。
②、印制板的热设计。
有效地把印制板上的热引导到外部。
减少热阻,是结构设计的目的之一。
③、机箱的热设计。
保证设备承受外部各种环境、机械应力的前提下,充分保证对流换热、传导、辐射,最大限度地的把设备产生的热散发出去。
⑴、热量的传递只要存在温差就有热量的传递。
热量的传递有三种基本方式:传热、对流和辐射。
它们可以单独出现,也可能两种或三种形式同时出现。
热量传递的两个基本规律:热量从高温区流向低温区;高温区发出的热量等于低温区吸收的热量。
⑵、热设计需考虑的问题系统热设计应与电路和结构设计同步进行;尽量减少电路发热量;减少发热元件的数量;选择耐热性和热稳定性好的元器件;在结构设计时应合理地选择冷却方法;进行传热通道的最佳设计;尽量减少热阻,热阻是热量传递路径上的阻力。
电子产品的热设计
面积 、 短热传导的路径 , 缩 在传 导 路 径 中不 应有 绝
热 或 隔热 元 件 、 用 导热 数 大 的材 料 制造 传 导 零 选
件 : 流 是 固体 表 面 与 流 体 表 面 的热 流 动 , 自然 对 有 对 流 和强 迫 对 流 之分 . 电子产 品 中流 体通 常 是 指 在
部 温 升 降低 到所 要 求 的 范 围 , 以保 证 产 品性 能 稳
定 , 缓 产 品 零部 件 氧 化 、 减 老化 、 劳 或磨 损 , 高 疲 提
产 品 的平 均无 故 障 工作 时 间 , 而延 长 产 品 的使 用 从 寿命
2 热 设 计 的 原 则
21 热传递 的方式 .
温度 。
加 宽 印制 线 , 以增 强元 器 件 引线 腿 对 印制 线 的热 传 导 和 增强 导 电性 ,必要 时可 以采 取 增 加 散热 器 、 在 元 器 件 与 散 热 材 料 间涂 抹 导 热 膏 等措 施 以增 加 元
器 件发 热量 的传 导散 热 。
元 器 件 的合 理 布 局 是 印 制 板 热 设 计 的重 要 内 容 , 根 据 产 品 中各 热 源 的 发 热 情 况 , 理 安 排 元 即 合 器 件 的位 置 , 止元 器 件 热量 的积 蓄 以及 元 器件 之 防 间 的热 影 响 , 以确保 元 器 件始 终 工 作在 允 许 的 工作 温 度 范 围 内。考 虑 到元 器 件 工作 的 发 热情 况 , 元 在 器 件 布 局 上 一 般 将 热 敏 感 的元 器 件 置 于 温 度 最 低 的区域 , 即对 于 自由 对 流 冷却 产 品 , 敏 感 元 器 件 热 以能 够 放 在 底 部 ,而 其 它 元 器 件 放 置 在 它 们 的上 面 , 对 于冷 壁 冷却 电路插 件 则 应将 热 敏 感 元器 件 而 靠 近插件 的边 缘 。此 外 , 可能 设法 将 发热 元器 件 尽 沿 着冷 壁 均匀 散 开 , 不要 使 热 敏元 器 件 与 发 热元 器
电子产品设计之热设计
电子产品设计之热设计散热器的设计方法散热器设计的步骤通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图.2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化. 3:进行校核计算.散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距.自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿.自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热.由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于5mm以上.散热器的设计方法强迫冷却散热器的设计方法在散热器表面加波纹齿,波纹齿的深度一般应小于0.5mm.增加散热器的齿片数.目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比,国内目前高宽比最大只能达到8.对能够提供足够的集中风冷的场合,建议采用低温真空钎焊成型的冷板,其齿间距最小可到2mm.采用针状齿的设计方式,增加流体的扰动,提高散热齿间的对流换热系数.当风速大于1m/s(200CFM)时,可完全忽略浮升力对表面换热的影响.散热器的设计方法在一定冷却条件下,所需散热器的体积热阻大小的选取方法在一定的冷却体积及流向长度下,确定散热器齿片最佳间距的大小的方法不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的定义散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的应用散热器的基板的优化方法不同风速下散热器齿间距选择方法不同风速下散热器齿间距选择方法优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式辐射换热的考虑原则如果物体表面的温度低于50℃,可忽略颜色对辐射换热的影响.因为此时辐射波长相当长,处于不可见的红外区.而在红外区,一个良好的发射体也是一个良好的吸收体,发射率和吸收率与物体表面的颜色无关.对于强迫风冷,由于散热表面的平均温度较低,一般可忽略辐射换热的贡献.如果物体表面的温度低于50℃,可不考虑辐射换热的影响.辐射换热面积计算时,如表面积不规则,应采用投影面积.即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积,如图所示.辐射传热要求辐射表面必须彼此可见.热设计的计算方法冷却方式的选择方法确定冷却方法的原则在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却.冷却方式的选择方法1:根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式,具有一定的局限性.热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法2:根据热流密度与温升要求,按图2所示关系曲线选择,此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法案例某电子设备的功耗为300W,机壳的几何尺寸为248×381×432mm,在正常大气压下,若设备的允许温升为40℃,试问采用那种冷却方法比较合理?计算热流密度:q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2当△t=40℃,q=0.04W/cm2时,其交点正好落在自然冷却范围内,所有采用自然冷却方法就可以满足要求.若设备的温升有严格限制,假设只允许10℃,由图2可以看出,需强迫风冷才能满足要求.机箱的热设计计算密封机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT对通风机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT+1000uAΔT对强迫通风机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT+ 1000QfΔT自然冷却时进风口面积的计算在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗,以增加空气对流,进风口的面积大小按下式计算:Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)s-通风口面积的大小,cm2Q-机柜内总的散热量,WH-机柜的高度,cm,约模块高度的1.5-1.8倍,Δt=t2-t1-内部空气t2与外部空气温度 t1 之差 , ℃出风口面积为进风口面积的1.5-2倍强迫风冷出风口面积的计算模块有风扇端的通风面积:Sfan=0.785(φin2-φhub2)无风扇端的通风面积S=(1.1-1.5) Sfan系统在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口,通风口的面积大小应为:S=(1.5-2.0)(N×S模块)N---每层模块的总数S模块---每一个模块的进风面积热设计的计算方法通风面积计算的案例[案例] 铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却,每层模块的散热量为360W,模块的高度为7U,进出口温差按20℃计算,机柜实际宽度为680mm,试计算每层进出风口的面积?H按2倍模块的高度计算,即 H=2×7U=14U进风口的面积按下式计算:Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)=360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2进风口高度h机柜的宽度按B=680mm计,则进风口的高度为:H=Sin/B=875/68=128.7mmb 出风口面积SoutSout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法q`=Q/(0.335△T)q`---实际所需的风量,M3/hQ----散热量,W△T-- 空气的温升,℃,一般为10-15℃.确定风扇的型号经验公式:按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量:q=(1.5-2)q` 按最大风量选择风扇型号.热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法案例:10K UPS主功率管部分的实际总损耗为800W,空气温升按15℃考虑,请选择合适的风扇.实际所须风量为:q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h按照2倍的裕量选择风扇的最大风量:q=2q`=2×159.2=318.4m3/h下表风扇为可选型号热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的热阻散热器的热阻是从大的方面包括三个部分.RSA=R对+R导+ R辐R对=1/(hc F1)F1--对流换热面积(m), hc –对流换热系数(w/m2.k)R辐--辐射换热热阻 ,对强迫风冷可忽略不计对自然冷却 R辐=1/(4бεTm3)R导=R 基板+R肋导=δ/(λF2)+((1/η)-1)R对流λ--导热系数,w/m.h.℃δ-- 散热器基板厚度(m)η-- 肋效率系数F2--基板的导热面积(m)F2=0.785*(d+δ)2d- 发热器件的当量直径(m)热设计的计算方法型材散热器的计算对流换热系数的计算自然对流垂直表面hcs=1.414(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取散热表面的高,m水平表面,热表面朝上hct=1.322(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取L=2(长×宽)/(长+宽),m 水平表面,热表面朝下hcb=0.661(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取L=2(长×宽)/(长+宽),m挤压技术铝挤压技术是 CPU散热片制作工艺中较为成熟的技术,主要针对铝合金材料的加工,因为铝合金材料密度相对较低,可塑性比较强。
电子产品热设计
目录摘要: (2)第1章电子产品热设计概述: (2)第1.1节电子产品热设计理论基础 (2)1.1.1 热传导: (2)1.1.2 热对流 (2)1.1.3 热辐射 (2)第1.2节热设计的基本要求 (3)第1.3节热设计中术语的定义 (3)第1.4节电子设备的热环境 (3)第1.5节热设计的详细步骤 (4)第2章电子产品热设计分析 (5)第2.1节主要电子元器件热设计 (5)2.1.1 电阻器 (5)2.1.2 变压器 (5)第2.2节模块的热设计 (5)电子产品热设计实例一:IBM “芯片帽”芯片散热系统 (6)第2.3节整机散热设计 (7)第2.4节机壳的热设计 (8)第2.5节冷却方式设计: (9)2.5.1 自然冷却设计 (9)2.5.2 强迫风冷设计 (9)电子产品热设计实例二:大型计算机散热设计: (10)第3章散热器的热设计 (10)第3.1节散热器的选择与使用 (10)第3.2节散热器选用原则 (11)第3.3节散热器结构设计基本准则 (11)电子产品热设计实例三:高亮度LED封装散热设计 (11)第4章电子产品热设计存在的问题与分析: (15)总结 (15)参考文献 (15)电子产品热设计摘要:电子产品工作时,其输出功率只占产品输入功率的一部分,其损失的功率都以热能形式散发出去,尤其是功耗较大的元器件,如:变压器、大功耗电阻等,实际上它们是一个热源,使产品的温度升高。
因此,热设计是保证电子产品能安全可靠工作的重要条件之一,是制约产品小型化的关键问题。
另外,电子产品的温度与环境温度有关,环境温度越高,电子产品的温度也越高。
由于电子产品中的元器件都有一定的温度范围,如果超过其温度极限,就将引起产品工作状态的改变,缩短其使用寿命,甚至损坏,使电子产品无法稳定可靠地工作。
第1章电子产品热设计概述:电子产品的热设计就是根据热力学的基本原理,采取各种散热手段,使产品的工作温度不超过其极限温度,保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。
电子设备的自然冷却热设计规范汇总
电子设备的自然冷却热设计规范汇总1目的建立一个电子设备在自然冷却条件下的热设计规范,以保证设备内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内,从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。
2 适用范围本热设计规范适用于自然冷却电子设备设计与开发,主要应用于以下几个方面:●机壳的选材●结构设计与布局●器件的选择●散热器的设计与选用●通风口的设计、风路设计●热路设计3 关键术语3.1 热环境设备或元器件的表面温度、外形及黑度,周围流体的种类、温度、压力及速度,每一个元器件的传热通路等情况3.2 热特性设备或元器件温升随热环境变化的特性,包括温度、压力和流量分布特征。
3.3导热系数(λ w/m.k)表征材料热传导性能的参数指标,它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量。
3.4 对流换热系数(α w/m2.k)对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱,表明了当流体与壁面间的温差为1℃时,在单位时间通过单位面积的热量。
3.5 热阻(℃/w)反映介质或介质间传热能力的大小,表明了1W热量所引起的温升大小。
)3.6 雷诺数(Re雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。
)3.7 普朗特数(Pr普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
)3.8 格拉晓夫数(Gr格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小,是说明自然对流换热强度的一个相似准则。
3.9 定性温度确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。
3.10肋片的效率表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热量之比。
3.11黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比,它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。
3.12 外部环境温度的定义自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值;强迫风冷(使用风扇)时指距离空气入口80~200mm截面的温度平均值。
pcb的热设计标准
pcb的热设计标准PCB的热设计标准。
在PCB(Printed Circuit Board)设计中,热管理是非常重要的一环。
良好的热设计可以确保电子元件在工作时保持稳定的温度,提高系统的可靠性和性能。
本文将介绍PCB的热设计标准,帮助大家更好地理解和应用于实际设计中。
首先,热设计的基本原则是要充分考虑电子元件的散热需求。
在布局元件时,应该合理地安排元件的位置,保证它们之间有足够的散热空间。
同时,还需要考虑到元件的功耗和工作环境的温度,选择合适的散热方式,如散热片、散热器等。
其次,对于高功率元件,还需要考虑到散热路径的设计。
要确保散热路径的通畅,避免热量在元件之间滞留,导致局部温度过高。
可以通过增加散热片的数量、加大散热器的尺寸等方式来改善散热路径,提高整体的散热效果。
另外,对于多层PCB设计,还需要考虑到内层元件的散热。
在布局时,应该尽量将高功率元件放置在靠近PCB表面的位置,减少热量传导的阻力,提高散热效果。
同时,可以通过在内层铺设散热铜箔来增加散热面积,提高散热效率。
此外,还需要注意PCB的散热与外壳的散热的配合。
在设计外壳时,应该考虑到PCB的散热需求,留出足够的散热空间和散热孔,保证热量能够顺利地传递到外壳上,并通过外壳散热出去。
同时,还可以通过在外壳上增加散热片、散热孔等方式来提高外壳的散热效果。
最后,热设计的标准还包括对材料的选择和加工工艺的要求。
应该选择具有良好导热性能的材料,如铝基板、铜基板等,以提高散热效果。
在加工工艺上,还需要注意控制焊接温度、时间,避免对元件的损坏,影响散热效果。
总之,PCB的热设计标准是一个综合性的工程,需要考虑到多个方面的因素。
只有充分理解并合理应用这些标准,才能设计出高可靠性、高性能的PCB电路板。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地掌握PCB的热设计技术,提高设计水平,为电子产品的发展贡献自己的力量。
热设计技术规范
2024/1/26
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热设计应用领域
2024/1/26
电子设备
热设计在电子设备领域应用广泛,如计算机、手机、平板电脑等。通过优化设备的散热结 构、提高散热效率,可以确保设备在长时间工作或高负荷运行时保持良好的性能。
航空航天
在航空航天领域,热设计对于确保飞行器的稳定性和安全性至关重要。通过合理的热设计 ,可以控制飞行器内部温度,防止设备过热或结冰,确保各种传感器和控制系统正常工作 。
3
ห้องสมุดไป่ตู้
热设计定义与目的
热设计定义
热设计是一种工程方法,旨在优化电 子设备和系统的热性能,确保其在各 种工作条件下能够稳定、高效地运行 。
热设计目的
通过合理的热设计,可以降低设备的 工作温度,提高设备的可靠性、稳定 性和寿命,同时优化能源利用效率, 减少热污染和环境影响。
2024/1/26
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热设计原则与方法
火箭热设计
解决高速飞行时产生的气动加热问题,保护关键部件免受高温影响 。
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汽车零部件热设计案例
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发动机热设计
改进冷却系统结构,提高散热性能,降低发动机 温度波动。
电池热设计
针对电动汽车电池组,采用液冷或风冷技术,确 保电池在适宜温度下工作,延长使用寿命。
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空调系统热设计
优化空调制冷和制热效果,提高能效比,提升驾 乘舒适度。
设计迭代
根据测试结果对热设计方案进行迭代优化,直至满足 设计要求。
2024/1/26
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04
热设计实例分析
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
2024/1/26
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电子产品热设计规范
电子产品热设计规范1概述1.1 热设计旳目旳采用合适可靠旳措施控制产品内部所有电子元器件旳温度,使其在所处旳工作环境条件下不超过稳定运行规定旳最高温度,以保证产品正常运行旳安全性,长期运行旳可靠性。
1.2 热设计旳基本问题1.2.1 耗散旳热量决定了温升,因此也决定了任一给定构造旳温度;1.2.2 热量以导热、对流及辐射传递出去,每种形式传递旳热量与其热阻成反比;1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中旳重要参数;1.2.4 所有旳冷却系统应是最简朴又最经济旳,并适合于特定旳电气和机械、环境条件,同步满足可靠性规定;1.2.5 热设计应与电气设计、构造设计、可靠性设计同步进行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷处理;1.2.6 热设计中容许有较大旳误差;1.2.7 热设计应考虑旳原因:包括构造与尺寸功耗产品旳经济性与所规定旳元器件旳失效率对应旳温度极限电路布局工作环境1.3 遵照旳原则1.3.1热设计应与电气设计、构造设计同步进行,使热设计、构造设计、电气设计互相兼顾;1.3.2 热设计应遵照对应旳国际、国内原则、行业原则;1.3.3 热设计应满足产品旳可靠性规定,以保证设备内旳元器件均能在设定旳热环境中长期正常工作。
1.3.4 每个元器件旳参数选择及安装位置及方式必须符合散热规定;1.3.5 在规定旳有效期限内,冷却系统(如风扇等)旳故障率应比元件旳故障率低;1.3.6 在进行热设计时,应考虑对应旳设计余量,以防止使用过程中因工况发生变化而引起旳热耗散及流动阻力旳增长。
1.3.7 热设计不能盲目加大散热余量,尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高旳冷却方式。
使用风扇冷却时,要保证噪音指标符合原则规定。
1.3.8 热设计应考虑产品旳经济性指标,在保证散热旳前提下使其构造简朴、可靠且体积最小、成本最低。
1.3.9 冷却系统要便于监控与维护2热设计基础2.1术语2.1.1 温升指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度旳差。
第12章 电子产品热设计
• 12.2.3电子产品热控制的目的 • 12.2.4电子元器件与模块的热设计 1.电子元器件的热设计 2.电子模块的热设计
变压器热设计处理
12.3 笔记本电脑散热设计实例分析
• 12.3.1笔记本电脑热源追踪 • 12.3.2笔记本与台式电脑散热比较
• 12.3.3 笔记本散热方式
1.风扇散热
3.机壳内外表面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好 4.在机壳内外表面黑化的基础上,合理改进通风结构
5.通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果,通风口的进出应开在 温差最大的两处,进风口要低,出风口要高
6.在自然散热时,通风孔面积的计算至关重要
7.结构要简单,不易落灰,又要满足强度,电磁兼容性要求和美观大方
比如,使用风冷散热器的体系在运行CPU负载较大时, 会在短时间内出现温度热尖峰,或可能超出CPU警戒温 度,而水冷散热体系则由于热容积大,热波动相对要小 得多。
CPU的水冷散热系统
水冷系统下的笔记本温度曲线
12.3.4埃普八爪鱼笔记本散热器
埃普八爪鱼散热底座是由著名的精辉公司针对桌面支架系 统推出的新款人体工程学支架,参考八爪鱼仿生学设计,主 体采用铝合金结构和高强度工程塑料材料,设计精巧,做工 优良,外观造型独特,具有很高的实用性和便携性。
用美属主 观电体 耐镀采 供用,用 电,质的 ,并感是 提配高铝 高有档合 电两的金 脑个同压 散高时铸 热速保, 性静障表 能音了面 。风使细 扇用喷 ,强沙 采度金
USB
埃普八爪鱼散热底座的包装
细节欣赏
未使用八爪鱼散热器前鲁大师测试结果
使用八爪鱼散热器后鲁大师软件测试结果
12.4电子产品热设计实例: IBM“芯片帽”芯片散热系统
电子产品热设计原理和原则培训课件
01
服务器热设计案例
Dell PowerEdge R740
02
热设计挑战
服务器内部通常有多颗处理器和多个硬盘,发热量大,且需要保证长时
间稳定运行,对散热要求极高。
03
解决方案
Dell PowerEdge R740采用了高效的风道设计和多风扇散热系统,同时
使用了液冷技术,如冷板式和浸没式液冷,来将热量快速散发出去。
自然散热技术是指利用自然对流和辐射散热的方式,将电子产品的热量传递到周围 环境中。
自然散热技术适用于低功耗、低发热的电子产品,如小型电子设备、遥控器等。
自然散热技术的优点是结构简单、成本低、可靠性高,缺点是散热效果受环境温度 影响较大,散热效率较低。
强制风冷散热技术
强制风冷散热技术是指通过风扇等机 械通风装置,强制将冷空气吹向发热 元件,将热量带走并排放到周围环境 中。
详细描述
导热是热设计中的基本原理之一,主要通过固体材料的晶格结构和自由电子的 运动传递热量。热量从高温向低温传递,传递速率与材料的导热系数成正比。 常见的导热材料包括金属、石墨烯、金刚石等。
对流换热原理
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程,涉及到流体中质点的宏观运 动和流体分子与固体表面之间的微观相互作用。
电子产品热设计的目标与原则
目标
确保电子产品在工作过程中温度 处于安全范围内,防止过热,保 证稳定运行。
原则
合理选择散热方式、优化散热结 构、降低热阻、提高散热效率。
电子产品热设计的基本流程
选择散热方式
根据实际情况选择自然散热、 强制散热或热管散热等散热方 式。
仿真与优化
利用热仿真软件对设计进行仿 真,分析散热效果,并根据仿 真结果进行优化。
电子产品热设计原理和原则
热
L
D
热
冷
L
D
热
d
D
D
热
d
D
热
d
烟囱效应
如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来,敞开上下面,可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。
如果温度变高,空气就会膨胀。也就是说,如果体积相同,热空气会变轻。较轻的空气被较重的空气推开,然后上升。这就是自然对流。
烟囱效应形成的压差
基于烟囱效应的静压[kg/m2]=(外部空气密度[kg/m3]-(内部空气密度[kg/m3])X烟囱高度[m]空气密度[kg/m3]=0 ℃的空气密度[kg/m3]X273.15/(273.15+气温[℃])
油
----------------
50-1500
水蒸气
-----------------
5000-15000
水沸腾
2500-25000
------------------
自然散热主要由两部分组成:辐射换热+自然对流。其中辐射换热占的比例20~50%左右(跟物体温度及表面处理有关)
自然散热时,可以假设热交换系数10w/m2. ℃
自然对流
自然对流需考虑的问题
1.元器件布局是否合理
2.是否有足够自然对流空间
元器件与结构件之间保持13mm以上的距离;相邻两垂直发热表面,D/L=0.25;相邻垂直发热表面与冷表面,Dmin=2.5mm;邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面,d/D=0.85;邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面,d/D=0.7;邻近的水平发热圆柱体和冷的水平表面,d/D=0.65;进出风口尽量远离,避免气流短路。
自然对流换热系数
强制对流换热系数
电子产品的热设计方法
电子产品的热设计方法(一)2007-05-03 14:51:28 字号:大中小为什么要进行热设计?高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落.温度对元器件的影响:一般而言,温度升高电阻阻值降低;高温会降低电容器的使用寿命;高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降, 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚,焊点变脆,机械强度降低;结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致组件失效.热设计的目的控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度.最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致.在本次讲座中将学到那些内容风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计的影响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势.授课内容风路的设计方法 20分钟产品的热设计计算方法 40分钟风扇的基本定律及噪音的评估方法 20分钟海拔高度对热设计的影响及解决对策 20分钟热仿真技术、热设计的发展趋势 50分钟概述风路的设计方法 :通过典型应用案例,让学员掌握风路布局的原则及方法.产品的热设计计算方法 :通过实例分析,了解散热器的校核计算方法、风量的计算方法、通风口的大小的计算方法.风扇的基本定律及噪音的评估方法:了解风扇的基本定律及应用;了解噪音的评估方法.海拔高度对热设计的影响及解决对策:了解海拔高度对风扇性能的影响、海拔高度对散热器及元器件的影响,了解在热设计如何考虑海拔高度对热设计准确度的影响.热仿真技术:了解热仿真的目的、要求,常用热仿真软件介绍.热设计的发展趋势:了解最新散热技术、了解新材料.风路设计方法自然冷却的风路设计设计要点机柜的后门(面板)不须开通风口.底部或侧面不能漏风.应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间.机柜上部的监控及配电不能阻塞风道,应保证上下具有大致相等的空间.对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面.对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口.风路设计方法自然冷却的风路设计设计案例风路设计方法自然冷却的风路设计典型的自然冷机柜风道结构形式风路设计方法强迫冷却的风路设计设计要点如果发热分布均匀, 元器件的间距应均匀,以使风均匀流过每一个发热源.如果发热分布不均匀,在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件布局应稍密些,或加导流条,以使风能有效的流到关键发热器件.如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件,应在模块内部采用阻流方法,使大部分的风量流入散热器.进风口的结构设计原则:一方面尽量使其对气流的阻力最小,另一方面要考虑防尘,需综合考虑二者的影响.风道的设计原则风道尽可能短,缩短管道长度可以降低风道阻力;尽可能采用直的锥形风道,直管加工容易,局部阻力小;风道的截面尺寸和出口形状,风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致,以避免因变换截面而增加阻力损失,截面形状可为园形,也可以是正方形或长方形;风路设计方法强迫冷却的风路设计典型结构风路设计方法强迫冷却的风路设计电源系统典型的风道结构-吹风方式风路设计方法热设计的基础理论自然对流换热大空间的自然对流换热Nu=C(Gr.Pr)n.定性温度: tm=(tf+tw)/2定型尺寸按及指数按下表选取热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况:(1) 在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合,形成环流;(2) 夹层厚度δ与高度之比δ/h>0.3时,冷热的自然对流边界层不会相互干扰,也不会出现环流,可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热;(3) 冷热壁温差及厚度均较小,以厚度为定型尺寸的Gr=(Bg△tδ3)/υ3<2000时,通过夹层的热量可按纯导热过程计算.热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况:(1) 热面朝上,冷热面之间无流动发生,按导热计算;(2) 热面朝下,对气体Gr.Pr<1700,按导热计算;(3) 有限空间的自然对流换热方程式:Nu=C(Gr.Pr)m(δ/h)n定型尺寸为厚度δ,定性温度为冷热壁面的平均温度Tm=(tw1+tw2 )热设计的基础理论流体受迫流动换热管内受迫流动换热管内受迫流动的特征表现为:流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响.入口段:流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇合,这时管断面流速分布及流动状态才达到定型.这段距离称为入口段.入口段管内流动换热系数是不稳定的,所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正.在紊流时,如果管长与管内径之比L/d>50则可忽略入口效应,实际上多属于此类情况.管内受迫层流换热准则式:Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25管内受迫紊流换热准则式:tw>tf Nu=0.023Re0.8 Pr0.4.tw<tf Nu=0.023Re0.8 Pr0.3热设计的基础理论流体动力学基础流量与断面平均流速流量:单位时间内流过过流断面的流体数量.如数量以体积衡量称为体积流量Q;单位为m3/s(CFM);如数量用重量衡量称为重量流量G,单位为Kg/s.二者的关系为:G=γQ断面平均流速:由于流体的粘性,过流断面上各点的流速分布不均匀,根据流量相等原则所确定的均匀流速称为断面平均流速.单位m/s(CFM)V=Q/A湿周与水力半径湿周:过流断面上流体与固体壁面相接触的周界长度.用x表示,单位m.水力半径:总流过过流断面面积A与湿周x之比称为水力半径,应符号R表示,单位M.恒定流连续性方程对不可压缩流体:V1A1=V2A2.对可压缩流体 : ρ1V1A1=ρ1V2A2热设计的基础理论流体动力学基础恒定流能量方程对理想流体:Z+p/γ+v2/2g=常数实际流体:由于粘性作为会引起流动阻力,流体阻力与流体流动方向相反作负功,使流体的总能量不断衰减,每个断面的Z+p/y+v2/2g≠常数,假设流体从断面1到断面2的能量损失为hw,则元流的能量方程式为:Z1+p1/γ+v12/2g=Z2+p2/γ+v22/2g+hw 热设计的基础理论流体动力学基础流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响,使流体在流动过程中受到阻力,这个阻力称为流动阻力,可分为沿程阻力和局部阻力两种.沿程阻力:在边界沿程不变的区域,流体沿全部流程的摩檫阻力.局部阻力:在边界急剧变化的区域,如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置,是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力.层流、紊流与雷诺数层流:流体质点互不混杂,有规则的层流运动.Re=Vde/ν<2300 层流紊流:流体质点相互混杂,无规则的紊流运动.显然层流状态下只存在粘性引起的摩檫阻力,而紊流状态下除摩檫阻力外还存在由于质点相互碰撞、混杂所造成的惯性阻力,因此紊流的阻力较层流阻力大的多.Re=Vde/ν<2300 紊流热设计的基础理论流体动力学基础管内层流沿程阻力计算(达西公式)hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ-沿程阻力系数,λ=64/Re管内紊流沿程阻力计算hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ=f(Re,ε/d),即紊流时沿程阻力系数不仅与雷诺数有关,还与相对粗糟度ε有关. 尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验得出了沿程阻力系数的经验公式:紊流光滑区:4000<Re<105, λ采用布拉修斯公式计算:λ=0.3164/Re 0.25热设计的基础理论流体动力学基础非园管道沿程阻力的计算引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园管,只需把园管直径换成当量水力直径.de=4A/x局部阻力hj=ξρV2/2ξ-局部阻力系数突然扩大: 按小面积流速计算的局部阻力系数:ζ1=(1-A1/A2)按大面积流速计算的局部阻力系数:ζ2=(1-A2/A1)突然缩小: 可从相关的资料中查阅经验值.电子产品的热设计方法(二)2007-05-03 14:53:24 字号:大中小散热器的设计方法散热器设计的步骤通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图.2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化.3:进行校核计算.散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距.自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿.自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热.由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于5mm以上.散热器的设计方法强迫冷却散热器的设计方法在散热器表面加波纹齿,波纹齿的深度一般应小于0.5mm.增加散热器的齿片数.目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比,国内目前高宽比最大只能达到8.对能够提供足够的集中风冷的场合,建议采用低温真空钎焊成型的冷板,其齿间距最小可到2mm.采用针状齿的设计方式,增加流体的扰动,提高散热齿间的对流换热系数.当风速大于1m/s(200CFM)时,可完全忽略浮升力对表面换热的影响.散热器的设计方法在一定冷却条件下,所需散热器的体积热阻大小的选取方法在一定的冷却体积及流向长度下,确定散热器齿片最佳间距的大小的方法不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的定义散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的应用散热器的基板的优化方法不同风速下散热器齿间距选择方法不同风速下散热器齿间距选择方法优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式辐射换热的考虑原则如果物体表面的温度低于50℃,可忽略颜色对辐射换热的影响.因为此时辐射波长相当长,处于不可见的红外区.而在红外区,一个良好的发射体也是一个良好的吸收体,发射率和吸收率与物体表面的颜色无关.对于强迫风冷,由于散热表面的平均温度较低,一般可忽略辐射换热的贡献.如果物体表面的温度低于50℃,可不考虑辐射换热的影响.辐射换热面积计算时,如表面积不规则,应采用投影面积.即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积,如图所示.辐射传热要求辐射表面必须彼此可见.热设计的计算方法冷却方式的选择方法确定冷却方法的原则在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却.冷却方式的选择方法1:根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式,具有一定的局限性.热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法2:根据热流密度与温升要求,按图2所示关系曲线选择,此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法案例某电子设备的功耗为300W,机壳的几何尺寸为248×381×432mm,在正常大气压下,若设备的允许温升为40℃,试问采用那种冷却方法比较合理?计算热流密度:q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2 当△t=40℃,q=0.04W/cm2时,其交点正好落在自然冷却范围内,所有采用自然冷却方法就可以满足要求.若设备的温升有严格限制,假设只允许10℃,由图2可以看出,需强迫风冷才能满足要求.机箱的热设计计算密封机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT对通风机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT+1000uAΔT 对强迫通风机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT+ 1000QfΔT 自然冷却时进风口面积的计算在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗,以增加空气对流,进风口的面积大小按下式计算:Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)s-通风口面积的大小,cm2Q-机柜内总的散热量,WH-机柜的高度,cm,约模块高度的1.5-1.8倍,Δt=t2-t1-内部空气t2与外部空气温度 t1 之差, ℃ 出风口面积为进风口面积的1.5-2倍强迫风冷出风口面积的计算模块有风扇端的通风面积:Sfan=0.785(φin2-φhub2)无风扇端的通风面积S=(1.1-1.5) Sfan系统在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口,通风口的面积大小应为: S=(1.5-2.0)(N×S模块)N---每层模块的总数S模块---每一个模块的进风面积热设计的计算方法通风面积计算的案例[案例] 铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却,每层模块的散热量为360W,模块的高度为7U,进出口温差按20℃计算,机柜实际宽度为680mm,试计算每层进出风口的面积?H按2倍模块的高度计算,即H=2×7U=14U进风口的面积按下式计算:Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)=360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2进风口高度h机柜的宽度按B=680mm计,则进风口的高度为:H=Sin/B=875/68=128.7mmb 出风口面积SoutSout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法q`=Q/(0.335△T)q`---实际所需的风量,M3/hQ----散热量,W△T-- 空气的温升,℃,一般为10-15℃.确定风扇的型号经验公式:按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量:q=(1.5-2)q` 按最大风量选择风扇型号.热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法案例:10K UPS主功率管部分的实际总损耗为800W,空气温升按15℃考虑,请选择合适的风扇.实际所须风量为:q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h按照2倍的裕量选择风扇的最大风量:q=2q`=2×159.2=318.4m3/h下表风扇为可选型号热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的热阻散热器的热阻是从大的方面包括三个部分.RSA=R对+R导+ R辐R对=1/(hc F1)F1--对流换热面积(m), hc –对流换热系数(w/m2.k)R辐--辐射换热热阻 ,对强迫风冷可忽略不计对自然冷却 R辐=1/(4бεTm3)R导=R 基板+R肋导=δ/(λF2)+((1/η)-1)R对流λ--导热系数,w/m.h.℃δ-- 散热器基板厚度(m)η-- 肋效率系数F2--基板的导热面积(m)F2=0.785*(d+δ)2d- 发热器件的当量直径(m)热设计的计算方法型材散热器的计算对流换热系数的计算自然对流垂直表面hcs=1.414(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取散热表面的高,m 水平表面,热表面朝上hct=1.322(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取L=2(长×宽)/(长+宽),m 水平表面,热表面朝下hcb=0.661(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取L=2(长×宽)/(长+宽),m电子产品的热设计方法(三)2007-05-03 14:54:08 字号:大中小热设计的计算方法型材散热器的计算对流换热系数的计算强迫对流层流 Ref<105hc=(1.1-1.4) λ空气 0.66Ref 0.5/L湍流 Ref>105hc=(1.1-1.4) λ空气 0.032Ref 0.8/L肋片效率对直齿肋:η=th(mb)/(mb))m=(2 hc/λδ0)δ0:肋片根部厚度(m)b. 肋高(m)热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的流阻计算散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失△P=hf+hj=λf•L/de•ρV22/2+ζρV22/2λ f --沿程阻力系数L--流向长度(m)de--当量水利直径(m),de=4A流通/湿周长V--断面流速(m/s)沿程阻力系数计算λ f层流区:Re=Vd/υ≤2300λf=64/Re紊统光滑区 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25υ--运动粘度系数(m2/s),从文献中查找热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的流阻计算局面阻力系数ζ突然扩大按小面积流速计算的局部阻力系数:ζ1=(1-A1A2)按大面积流速计算的局部阻力系数: ζ2=(1-A2/A1)突然缩小可从相关的资料中查阅经验值.热设计的计算方法型材散热器的计算【案例】散热器DXC-616(天津铝合金厂编号),截面图略,散热器的截面积为77.78cm2,周长为2.302m,单位长度的重量为21KG/m.风扇采用PAPST 4656Z ,风扇功率19W,最大风量为160m3/h,压头为70Pa.风道阻力曲线的计算入口面积:Fin=0.785×D2 =0.785×0.1192=0.01116m2流通面积:Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2水力直径: de=4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m 由于风速较低,一般最大不会超过6m/s,雷诺数<2300,沿程阻力系数按下式计算:λ=64/Re=64 ν/Vde沿程阻力按下式计算:hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64 ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)=(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)=(8.07/V)(ρV2/2)局部阻力按下式计算:hj=ξρV2/2对于突然缩小,A2/A1=0.003338/0.01116=0.3,查表得ξ=0.38总阻力损失 H=hf+ hj=(0.38+8.07/V )(ρV2/2)热设计的计算方法型材散热器的计算【案例】续确定风扇的工作点10KVA UPS 的选择风扇为PAPST 4656Z,我们把风道曲线与风扇的曲线进行叠加,其交点即为风扇的工作点,给工作点对应的风速为5m/s,压力为35Pa.散热器的校核计算雷诺数Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104努谢尔特数: Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157对流换热系数:hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.km=(2 hc/λδ)0.5=9.82ml=9.82×0.03=0.295,查得:η=0.96该散热器的最大散热量为(散热器台面温升按最大40℃考虑):Q=hcF△t η=460.4W计算结果表面,散热器及风扇选型是合理的.热设计的计算方法冷板的计算方法传热计算确定空气流过冷板后的温升:t=Q/qmCp确定定性温度 tf=(2ts+t1+t2)/4, 冷板台面温度 ts为假定值设定冷板的宽度为b,则通道的横截面积为Ac ,Ac=b×Ac0确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr).流体的质量流速和雷诺数 G=qm/Af Re=deG/μ根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流), Re<1800, 层流, Re>105, 湍流根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数JRe<1800,层流 J=6/Re 0.98 Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12-18查得热设计的计算方法冷板的计算方法传热计算计算冷板的换热系数: h= JGCpPr2/3计算肋片的效率 m=(2h/λδ)0.5,ηf=th(ml)/ml(也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)计算冷板的总效率:忽略盖板及底版的效率,总效率为:A=At+Ar+Ab, η0=1-Ar(1-ηf)/A计算传热单元数 NTU=hη0A/qmCp计算冷板散热器的台面温度ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)热设计的计算方法冷板的计算方法流体流动阻力计算计算流通面积与冷板横截面积之比ζ=Af/Ac查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,ζ): 根据雷诺数Re及ζ从GJB/Z 27-92 图12-16及图12-16查得查摩擦系数f=f(Re,ζ): 根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12-18查得计算流动阻力△P=G2[(Kc+1-ζ2)+2(ρ2/ρ1-1)+fρ1A/(Afρm)-(1-ζ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)热设计的计算方法冷板的计算方法判断准则确定是否满足ts<[ts],如果不满足,需增大换热面积或增大空气流量.确定是否满足△P<[△P],如果不满足,需减小冷板的阻力(如选择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压头较大的风扇热设计的计算方法冷板的计算方法案例:10KVA UPS 冷板散热器,器件的损耗为870.5W,要求冷板散热器台面温升小于30℃(在40℃的环境温度下).冷板散热器的截面图略梯形小通道面积:Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2每排有29个梯形小通道,共22排,n=29×22=638个基板厚度为:9mm总的流通面积Af =30.4×29×22=0.0193952 m2冷板的横截面积Ac=120×120×2=0.0288 m2水力半径:de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm热设计的计算方法冷板的计算方法【案例】续确定风扇的工作点Re=de G/μ=deqm/μAf在40℃空气的物性参数为: μ=19.1×10-6kg/m.s, ρ1=1.12kg/m3 Re=(4.787×10-3×1.12×0.30483 qm1/(60×19.1×10-6×0.0193952) =6.831 qm1(qm1的单位为:CFM)ζ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673热设计的计算方法冷板的计算方法【案例】续先忽略空气密度的变化,不同流量的流阻计算如下表所示:我们把两个NMB4715的风扇流量相加,静压不变,得出两个风扇并联后的静压曲线,再把上表的数据绘制成风道曲线并与风扇静压曲线进行画在同一张图上,其交点即为风扇的工作点,即为(170CFM,0.13in.H2O),工作点对应的风速为4.14m/s.热设计的计算方法冷板的计算方法【案例】续空气流过冷板后的温升空气口温度为40 ℃,ρ1=1.12kg/m3,Cp=1005.7J/kg. ℃μ=19.1×10-6kg/m.s, Pr=0.699质量流量qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s△t= Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63 ℃定性温度: tf=(2ts+t1+t2)= (2×80+40+49.63)/4=62.4℃按定性温度查物性得: ρ1=1.06kg/m3,Cp=1005.7J/kg.℃μ=20.1×10-6kg/m.s,Pr=0.696换热系数质量流速 G=qm/Af=4.14×1.12=4.64kg/m2.s雷诺数 Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1层流J=6/Re 0.98=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=2.23ηf=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433传热单元数:NTU=hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241 =0.5772冷板的表面温度: Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃<70℃冷板设计方案满足散热要求.风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇定律风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇的噪音问题风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系,对于轴流风扇在大风量,低风压的区域噪音最小,对于离心风机在高风压,低风量的区域噪音最小,这和风扇的最佳工作区是吻合的.注意不要让风扇工作在高噪音区.风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍,所以一般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离,以免产生额外的噪音.对于风扇冷却的机柜,在标准机房内噪音不得超过55dB,在普通民房内不得超过65dB.风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇的噪音问题对于不得不采用大风量,高风压风扇从而产生较大噪音的情况,可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料,吸音效果较好的材料主要是多孔介质,如玻璃棉,厚度越厚越好.有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机,在保证设计风量的条件下,可以通过调整风机的电压或其它方式降低风扇的转速,从而降低风扇的噪音.相应的噪音降低变化按下式计算:N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1)风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇的噪音问题【案例】:一电源模块采用一个轴流风扇进行冷却,为了有效抑止噪音,要求风扇只有在监控点的温度高于85℃才全速运转,其余情况风扇必须半速运转.已知风扇全速运转时转速为2000RMP,噪音为40db,求在半速运转时风扇的噪音为多少?如果已知全速运转时风扇的工作点为(50CFM,0.3IN.H2O),试求风扇在半速运转时的工作点.解:根据风扇定律N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1)=40+50 log10 (1000/2000) =24.9dbP2 =P1 (RPM2/RPM1)2=0.3(1000/2000)2=0.075 IN.H2OCFM2 = CFM1 (RPM2/RPM1)=50(1000/2000)=25CFM海拔高度对热设计的影响及解决对策海拔高度对自然冷却条件的热设计要求对于自然对流,其传热机理是由于冷却空气吸热后其密度减小,迫使重力场中的空气上升而形成冷热空气的对流而产生热量传递.由于随着海拔高度的增加,空气的密度逐渐减小,空气上升的能力也就减少,自然对流换热的能力减弱.自然对流换热能力的变化最终体现在对流换热系数的变化上,根据美国斯坦伯格的经验公式,如果忽略空气温度的变化,可按下式计算海拔高度对自然对流的影响强弱.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)-分别为高空及海平面的自然对流换热系数,W/m.k ρ高空,ρ海平面-分别为高空及海平面的空气密度,Kg/m3p高空,p海平面-分别为高空及海平面的空气压力,帕斯卡海拔高度对热设计的影响及解决对策海拔高度对强迫冷却条件的热设计要求海拔高度对强迫风冷影响的机理是由于随着海拔高度的增加,空气密度减小,。
艾默生电子设备强迫风冷热设计规范
艾默生电子设备强迫风冷热设计规范2004/05/01发布2004/05/01实施艾默生网络动力修订信息表目录目录 (3)前言 (5)1目的 (6)2 适用范围 (6)3 关键术语 (6)4援用/参考规范或资料 (7)5 规范内容 (8)5.1 遵照的原那么 (8)5.2 产品热设计要求 (8)5.2.1产品的热设计目的 (8)5.2.2 元器件的热设计目的 (9)5.3 系统的热设计 (9)5.3.1 罕见系统的风道结构 (9)5.3.2 系统通风面积的计算 (16)5.3.3 系统前门及防尘网对系统散热的影响 (16)5.4 模块级的热设计 (16)5.4.1 模块损耗的计算方法 (16)5.4.2 机箱的热设计 (16)5.4.2.1 机箱的选材 (16)5.4.2.2 模块的通风面积 (17)5.4.2.3 机箱的外表处置 (17)5.5 单板级的热设计 (17)5.5.1 选择功率器件时的热设计原那么 (17)5.5.2 元器件规划的热设计原那么 (17)5.5.3 元器件的装置 (18)5.5.4 导热介质的选取原那么 (19)5.5.5 PCB板的热设计原那么 (19)5.5.6 装置PCB板的热设计原那么 (22)5.5.7 元器件结温的计算 (22)5.6 散热器的选择与设计 (25)5.6.1散热器需采用的强迫冷却方式的判别 (25)5.6.2 强迫风冷散热器的设计要点 (25)5.6.3 风冷散热器的辐射换热思索 (27)5.6.4 海拔高度对散热器的设计要求 (27)5.6.5 散热器散热量计算的阅历公式 (27)5.6.6强化散热器散热效果的措施 (28)5.7风扇的选择与装置的热设计原那么 (28)5.7.1多个风扇的装置位置 (28)5.7.2风扇与最近阻碍物间的距离要求 (28)5.7.3消弭风扇SWIRL影响的措施 (29)5.7.4抽风条件下对风扇选型的限制 (29)5.7.5降低风扇噪音的原那么 (30)5.7.6处置海拔高度对风扇功用影响的措施 (31)5.7.7确定风扇型号的方法 (31)5.7.8吹风与抽风方式的选择原那么 (32)5.7.9延伸风扇寿命与降低风扇噪音的措施 (32)5.7.10风扇的串列与并联 (32)5.8防尘对产品散热的影响 (35)5.8.1抽风方式的防尘措施 (35)5.8.2吹风方式下的防尘措施 (35)5.8.3防尘网的选择方法 (35)6 产品的热测试 (36)6.1 停止产品热测试的目的 (36)6.2 热测试的种类及所用的仪器、设备 (36)6.2.1温度测试 (36)6.2.2速度测量 (37)6.2.3流体压力的测量 (38)7 附录 (40)7.1 元器件的功耗计算方法 (40)7.2 散热器的设计计算方法 (42)7.3 冷板散热器的计算方法 (43)7.4 强迫风冷产品的热设计反省模板 (46)前言本规范由艾默生网络动力研发部发布实施,适用于本公司的产品设计开发及相关活动。
电子产品热设计
电子产品有效的功率输出要比电路工作所需输入的功率小得多。
多余的功率大部分转化为热而耗散。
当前电子产品大多追求缩小尺寸、增加元器件密度,这种情况导致了热量的集中,因此需要采用合理的热设计手段,进行有效的散热,以便产品在规定的温度极限内工作。
热设计技术就是指利用热的传递条件,通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度,使其在产品所在的工作条件下,以不超过规定的最高温度稳定工作的设计技术。
一、电子产品热设计的目的电子产品在工作时会产生不同程度的热能,尤其是一些功耗较大的元器件,如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路、功率损耗大的电阻等,实际上它们是一个热源,会使产品的温度升高。
在温度发生变化时,几乎所有的材料都会出现膨胀或收缩现象,这种膨胀或收缩会引起零件间的配合、密封及内部的应力问题。
温度不均引起的局部应力集中是有害的,金属结构在加热或冷却循环作用下会产生应力,从而导致金属因疲劳而毁坏。
另外,对于电子产品而言,元器件都有一定的工作温度范围,如果超过其温度极限,会引起电子产品工作状态的改变,缩短使用寿命,甚至损坏,导致电子产品不能稳定、可靠地工作。
电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计,降低产品的工作温度,控制电子产品内部所有元器件的温度,使其在所处的工作环境温度下,以不超过规定的最高允许温度正常工作,避免高温导致故障,从而提高产品的可靠性。
二、电子产品散热系统简介热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射,对应的散热方式为:传导散热、对流散热和辐射散热。
典型的散热系统介绍如下:(1)自然冷却系统自然冷却系统是指电子产品所产生的热量通过传导、对流、辐射三种方式自然地散发到周围的空气中(环境温度略微升高),再通过空调等其他设备降低环境温度,达到散热的目的。
此类散热系统的设计原则是:尽可能减少传递热阻,增加产品中的对流风道和换热面积,增大产品外表的辐射面积。
自然冷却是最简单、最经济的冷却方法"旦散热量不大,一般用于热流密度不大的产品中。
电子通讯产品热设计规范
电子通讯产品热设计规范热设计规范1.目的及适用范围本规范明确了电子设备热设计的指标要求和热设计流程,并提供了热设计的基本理论;热设计的三种方法:即热分析计算、计算机热仿真、热模拟测试及热测试;热设计要求。
2.引用标准GJB/Z 27-92 中华人民共和国国家军用标准电子设备可靠性热设计手册GJB/Z 299B-98 电子设备可靠性预计手册3.相关术语的定义3.1 热流密度单位面积的热流量,单位:W/m23.2 体积功率密度单位体积的热流量,单位:W/m33.3 热阻热量在热流路径上遇到的阻力。
一般用R表示,即:R=Δt/Q,单位:℃/W3.4 特征尺寸对流换热准则数中代表热表面的几何尺寸,一般用D表示,单位:m3.5 导热系数材料传导性能的参数指标。
一般用λ表示,单位:W/m·℃3.6 对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱,表明了流体与壁面间温差为1℃时,在单位时间内通过单位面积的热量。
一般用h c表示,单位:W/m2·℃3.7 黑度表明物体的辐射力接近绝对黑体辐射力的程度,一般用ε表示,单位:无3.8 雷诺数该数反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的大小之比,是说明流体流态的一个相似准则。
一般用Re表示,单位:无3.9 普朗特数该数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
一般用Pr表示,单位:无3.10 格拉晓夫数该数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小,是说明自然对流换热强度的一个相似准则。
一般用Gr表示,单位:无4.电子设备热设计的指标要求热设计总的要求是通过对电子产品进行热分析、热设计与热测试,以建立起与设备可靠性要求及分配给每一个元器件的失效率相一致的环境温度控制系统,使电子元器件 周围和电子元器件本身的温度不超过最大的指定范围。
4.1 环境温度电子设备的环境温度一般包括设备的存储温度和使用温度,主要根据国标(行业标准)的相关规定,结合设备的使用环境和本公司的要求来确定。
电子产品机箱机壳的热设计
电子产品机箱机壳的热设计
名词概念
黑度:实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比。
机箱热设计的原则:
1.改善设备内部电子元件象机壳的传热能力
2.提高机箱向外界的传热能力
3.尽量降低传热路径上的热阻,形成一条低热阻的热流通路,
保证设备在允许的温度范围内正常工作。
一电子机箱机壳的热设计
1.增加机箱内外表面的黑度、开通风孔等,都可以降低温度
2.机箱内外表面高黑度的效果比低黑度的散热效果好
3.机箱两侧均为高黑度的散热效果优于一侧的散热。
4.在机箱内外表面增加黑度的基础上,合理的改进通风结构,加强冷却空气
的对流,可以明显的降低设备内部的温度。
二机箱通风面积的计算
在机壳上开通风孔是为了利用冷空气的对流换热作用,可以根据散热与电磁兼容性的要求综合考虑。
由通风孔散区的热量为
Φ=7.4X10-5HAΔt1.5 (W)
H——自然冷却设备的高度(或进、出风口的中心距)
A——进出风孔的面积(取较小值)CM²
Δt——设备内外的温度差
开通风孔的基本原则:
1)通风孔的开设要有利于气流形成有效的对流通道
2)进风孔尽量对准发热元气件
3)进风孔要离出风孔要远,防止气流短路,应开在温差较
大的相应位置
4)进风孔要注意防尘和电磁泄露
三热屏蔽
a 尽可能将通路连接到热沉
b 减少高温与低温元件之间的辐射偶合,加热屏蔽板形成热区与冷区
c 尽量降低空气与其他冷却挤的温度梯度
d 将高温元件装在内表面具有高的黑度,外表面具有低的黑度的外壳中,这些外壳与散热器有良好的导热连接。
元气件的引线是重要的导热通路引线尽可能的粗。
电子设备的热设计
对流换热
将上式改写成:
∆t Q= 1 /(αF )
对流换热的热组为:
1 /(αF )
辐射换热
温度不同的两个(或两个以上)物体之间相互进 行的热辐射和吸收所形成的换热过程 当物体的温度大于绝对零度时,物体恒向外辐射 热能,在单位时间内物体的单位面积向外辐射的 能量,即辐射力为:
T E = C 100
δ
F
导热过程
将上式改写为
∆t Q= δ /(λF )
δ /(λF ) :热阻
将上式变形
δ ∆t = λF Q
对流换热
指由于流体微团改变空间位置所引起的流体和 固体壁面之间的热量传递过程
Q = α (t w − t f ) F = α∆tF
其中:Q是对流换热量(W); tw和tf是壁面和流体的平均温度( ℃ ); F是换热面积(m2); α是平均对流换热系数(W/m2·℃)
电子设备冷却方法的选择
自然冷却 强迫冷却 直接液冷 蒸发冷却 自然冷却 金属导热 强迫冷却 直接液冷 蒸发冷却
冷却方法选择体
传热过程概述
热力学第二定律:热量总是自发地由高温 物体传向低温物体 温度差看做是驱动热量传递的动力 分析温度差、传递的热量、热阻 能量守恒原则 举例:功率器件传递Fra bibliotek程导热过程
电子设备冷却方法的选择
取决于产品总的热损耗与其集中程度、元 器件(或产品)的允许温度以及元器件 (或产品)的环境温度 使用较多的方法是根据电子设备的热流密 度,表面散热功率系数,或体积发热功率 系数来确定。
电子设备冷却方法的选择
表面散热功率系数:在单位面积(所有能 参与散热的面积)内,所能散发出去的功 率大小 体积发热功率系数:单位体积内发热功率 的大小
电子设备自然冷却热设计规范
电子设备的自然冷却热设计规范目录目录 (2)前言....................................................................................................错误!未定义书签。
1目的.. (5)2 适用范围 (5)3 关键术语 (5)4引用/参考标准或资料 (6)5 规范内容 (6)5.1 遵循的原则 (6)5.2 产品热设计要求 (7)5.2.1产品的热设计指标 (7)5.2.2 元器件的热设计指标 (7)5.3 系统的热设计 (8)5.3.1 常见系统的风道结构 (8)5.3.2 系统通风面积的计算 (9)5.3.3 户外设备(机柜)的热设计 (9)5.3.3.1太阳辐射对户外设备(系统)的影响 (9)5.3.3.2 户外柜的传热计算 (11)5.3.4 系统前门及防尘网对系统散热的影响 (13)5.4 模块级的热设计 (14)5.4.1 模块损耗的计算方法 (14)5.4.2 机箱的热设计 (14)5.4.2.1 机箱的选材 (14)5.4.2.2 模块的散热量的计算 (14)5.4.2.3 机箱辐射换热的考虑 (15)5.4.2.4 机箱的表面处理 (15)5.5 单板级的热设计 (15)5.5.1 选择功率器件时的热设计原则 (15)5.5.2 元器件布局的热设计原则 (16)5.5.3 元器件的安装 (17)5.5.4 导热介质的选取原则 (18)5.5.5 PCB板的热设计原则 (19)5.5.6 安装PCB板的热设计原则 (21)5.5.7 元器件结温的计算 (21)5.6 散热器的选择与设计 (22)5.6.1散热器需采用的自然冷却方式的判别 (22)5.6.2 自然冷却散热器的设计要点 (22)5.6.3 自然冷却散热器的辐射换热考虑 (23)5.6.4 海拔高度对散热器的设计要求 (23)5.6.5 散热器散热量计算的经验公式 (23)5.6.6强化自然冷却散热效果的措施 (24)6产品的热测试 (24)6.1进行产品热测试的目的 (24)6.1.1热设计方案优化 (24)6.1.2热设计验证 (24)6.2热测试的种类及所用的仪器、设备 (24)6.2.1温度测试 (25)7 附录 (26)7.1 元器件的功耗计算方法 (26)7.2 散热器的设计计算方法 (28)7.3自然冷却产品热设计检查模板 (29)1目的建立一个电子设备在自然冷却条件下的热设计规范,以保证设备内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内,从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。
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电子产品热设计规范1概述1.1热设计的目的采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度,以保证产品正常运行的安全性,长期运行的可靠性。
1.2热设计的基本问题1.2.1耗散的热量决定了温升,因此也决定了任一给定结构的温度;1.2.2热量以导热、对流及辐射传递出去,每种形式传递的热量与其热阻成反比;1.2.3热量、热阻和温度是热设计中的重要参数;1.2.4所有的冷却系统应是最简单又最经济的,并适合于特定的电气和机械、环境条件,同时满足可靠性要求;1.2.5热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷解决;1.2.6热设计中允许有较大的误差;1.2.7热设计应考虑的因素:包括结构与尺寸功耗产品的经济性与所要求的元器件的失效率相应的温度极限电路布局工作环境1.3遵循的原则1.3.1热设计应与电气设计、结构设计同时进行,使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾;1.3.2热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准;1.3.3热设计应满足产品的可靠性要求,以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。
1.3.4每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求;1.3.5在规定的使用期限内,冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低;1.3.6在进行热设计时,应考虑相应的设计余量,以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。
1.3.7热设计不能盲目加大散热余量,尽量使用白然对流或低转速风扇等可靠性局的冷却方式。
使用风扇冷却时,要保证噪首指标符合标准要求。
1.3.8热设计应考虑产品的经济性指标,在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。
1.3.9冷却系统要便于监控与维护2热设计基础2.1术语2.1.1 温升指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差。
如果忽略温度变化对空气物的非线性影响,可以将一般环境温度下(如空调房27C)测量获得的温升直接加上最高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度。
例如在空调房内测得某器件温升为40C,则在55 C最高环境温度下该器件的温度将为95 C。
2.1.2热耗指元器件正常运行时产生的热量。
热耗不等同于功耗,功耗指器件的输入功率。
一般电子元器件的效率比较低,大部分功率都转化为热量。
计算元器件温升时,应根据其功耗和效率计算热耗,当仅知道大致功耗时,对于小功率设备,可认为热耗等于功耗,对于大功耗设备,可近似认为热耗为功耗的75%其实为给设计留一个余量,有时直接用功耗进行计算。
但注意电源模块的效率比较高,一般为70%~95%对于同一个电源模块,输出功率越小,效率越低。
2.1.3热流密度单位面积上的传热量,单位W/rih。
2.1.4热阻热量在热流路径上遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,表明了1W热量所引起的温升大小,单位为C /W或K/W。
用热耗乘以热阻,即可获得该传热路径上的温升。
可以用一个简单的类比来解释热阻的意义,换热量相当于电流,温差相当于电压,则热阻相当于电阻。
以下是一些单板元器件热分析使用的重要热阻概念,这些热阻参数一般由元器件生产厂商根据标准实验测量提供,可在器件的用户说明书中查出:2.1.4.1结至空气热阻R a元器件的热源结(junction )到周围冷却空气(ambient)的总热阻,乘以其发热量即获得器件温升。
2.1.4.2结至壳热阻R C元器件的热源结到封装外壳间的热阻,乘以发热量即获得结与壳的温差。
2.1.4.3结至板热阻R b元器件的结与PCE^间的热阻,乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。
2.1.5导热系数表征材料导热性能的参数指标,它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量,单位为W/m.K或W/m.C2.1.6对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱,表明当流体与壁面的温差为1 C时,在单位时间通过单位面积的热量,单位为W/mK或W/m C2.1.7层流与紊流(湍流)层流指流体呈有规则的、有序的流动,换热系数小,热阻大,流动阻力小;紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动,换热系数大,热阻小,流动阻力大。
层流与紊流状态一般由雷诺数来判定。
在热设计中,尽可能让热耗大的关键元器件周围的空气流动为紊流状态,因为紊流时的换热系数会是层流流动的数倍。
2.1.8流阻反映流体流过某一通道时所产生的静压差。
单位帕斯卡或In. water2.1.9黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比,在0~1之间。
它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。
表面粗糙,无光泽,黑度大,辐射散热能力强。
2.1.11雷诺数Re(Reynlods)雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则数。
其定义一般为式中u为空气流速,单位m/s; D为特征尺寸,单位m根据具体的对象结构情况取值;为运动粘度,单位m2/s。
2.1.12普朗特数Pr(Prandtl)普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数。
空气的Pr数可直接根据定性温度从物性表中查出。
2.1.13努谢尔特数Nu(Nusseltl)反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱,是一个说明对流换热强弱的相似准则数。
其定义一般为,h为换热系数,单位W/mrc;D为特征尺寸;为导热系数,单位W/m.C。
2.1.14通风机的特性曲线指通风机在某一固定转速下工作,静压随风量变化的关系曲线。
当风机的出风口完全被睹住时,风量为零,静压最高;当风机不与任何风道连接时,其静压为零,而风量达到最大2.1.15系统的阻力特性曲线系统(或风道)的阻力特性曲线:是指流体流过风道所产生的压降随空气流量变化的关系曲线,与流量的平方成正比。
2.1.16通风机工作点系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。
2.1.17速度头一般使用空气的动压头来作为电子设备机箱压降的惯用基准,其定义为为空气密度,u为空气流速。
风道中空气的静压损失就由速度头乘以阻力损失系数获得。
2.2热量传递的基本方式及传热方程式热量传递有三种方式:导热、对流和辐射,它们可以单独出现,也可能两种或三种形式同时出现2.3增强散热的方式以下一些具体的散热增强方式,其实就是根据上述三种基本传热方程来增加散热量的:2.3.1增加有效散热面积。
如在芯片表面安装散热器;将热量通过引线或导热绝缘材料导到PCEfe中,利用周围PCEK的表面散热。
2.3.2增加流过表面的风速,可以增加换热系数。
2.3.3破坏层流边界层,增加扰动。
紊流的换热强度是层流的数倍,抽风时,风道横截面上速度分布比较均匀,风速较低,一般为层流状态,换热避面上的不规则凸起可以破坏层流状态,加强换热,针状散热器和翅片散热器的换热面积一样,而换热量却可以增加30%就是这个原因。
吹风时,风扇出口风速分布不均,有主要流动方向,局部风速较高,一般为紊流状态,局部换热强烈,但要注意回流低速区换热较差。
2.3.4尽量减小导热界面的接触热阻。
在接触面可以使用导热硅胶(绝缘性能好)或铝箔等材料。
2.3.5设法减小散热热阻。
在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限白然对流和导热、辐射散热,由于空气的导热系数很小,所以热阻很大。
如果将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触,则热阻将大大降低,减小温升。
3自然对流换热当发热表面温升为40 C或更高时,如果热流密度小于0.04W/cm ,则一般可以通过白然对流的方式冷却,不必使用风扇。
白然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面,实现散热。
这种换热方式不需要任何辅助设备,所以不需要维护,成本最低。
只要热设计和热测试表明系统通过白然对流足以散热,应尽量不使用风扇如果设计不当,元器件温升过高,将不得不采用风扇。
合理全面的白然对流热设计必须考虑如下问题:3.1元器件布局是否合理在布置元器件时,应将不耐热的元件放在靠近进风口的位置,而且位于功率大、发热量大的元器件的上游,尽量远离高温元件,以避免辐射的影响,如果无法远离,也可以用热屏蔽板(抛光的金属薄板,黑度越小越好)隔开;将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部;一般应将热流密度高的元器件放在边沿与顶部,靠近出风口的位置,但如果不能承受较高温度,也要放在进风口附近,注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置;大功率的元器件尽量分散布局,避免热源集中;不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列,使风阻均布,风量分布均匀。
单板上元器件的布局应根据各元件的参数和使用要求综合确定。
3.2是否有足够的白然对流空间元器件与元器件之间,元器件与结构件之间应保持一定距离,通常至少13mm以利于空气流动,增强对流换热。
竖直放置的电路板上的元件与相邻单板之间的间隙至少为19mm进出风口应尽量远离,避免气流短路,通风口尽量对准散热要求高的元件。
3.3是否充分运用了导热的传热途径由于白然对流的换热系数很低,一般为2~10W/mC,元件表面积很小或空间较小无法充分对流时,散热量会很小,这时应尽量采用导热的方式,利用导热系数较高的金属或导热绝缘材料(如导热硅胶, 云母,导热陶瓷,导热垫等)将元件与机壳或冷板相连,将热量通过更大的表面积散掉。
3.4使用散热器对于个别热流密度较高的元器件,如果白然对流时温升过高,可以设计或选用散热器以增加散热表面。
3.5是否充分运用了辐射的传热途径高温元件可以通过辐射将部分热量传递给机壳,机壳对辐射热的吸收强度和表面的黑度成正比。
表面粗糙度越高,黑度越高,而颜色对黑度的影响并不如人们一般认为的那样明显。
当机壳表面涂漆,黑度可以达到很高,接近1。
在一个密闭的机盒中,机壳内外表面涂漆比不涂漆时元件温升平均将下降10溢右。
3.6其他的冷却技术如果高热流密度元器件附近的空间有限,无法安装大散热器,可以采用冷管,将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置。
综合考虑上述问题时,将会有许多不同的结构布局方案,用一般的理论公式较难分析有限空间的复杂流动和换热,也难以比较方案的好坏。
最好采用热设计仿真分析软件对机箱/盒建模划分网格并计算,然后可以方便地改动布局方案再次计算,比较不同方案的计算结果,即可获得最佳的或满足要求的方案。
国外许多通信公司都采用这种软件帮助新产品的热设计,使一些产品避免采用风扇散热。
4强迫对流换热-风扇冷却当散热面热流密度超过0.08W/cm ,就必须采用强迫风冷的方式散热。
强迫风冷在我公司产品中应用最多。
有时尽管不用风扇可以散热,但散热器和机箱体积会很大,采用风扇冷却可以将体积减小许多。
4.1风道的设计强迫风冷中风道的设计非常重要。