第一章电子设备热设计基本知识

tw1 tw2 R
2 l
W
长度为 l 的圆筒 壁的导热热阻
接触热阻
实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界 面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面 接触 —— 给导热带来额外的热阻
减小散热器与器件之间的接触热阻
影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用 的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或 参考实测数据来选择接触热阻。
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
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＝ξ ρ V2/2
ξ －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：ζ 1＝(1-A1/A2) 按大面积流速计算的局部阻力系数 ：ζ 2＝(1-
A2/A1) 突然缩小： 可从相关的资料中查阅经验值。
传热路径
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。
六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子 元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散 热器时，就可以采用强迫空气冷却。
七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器 件 或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件 相容，其典型热阻为每平方厘米1.25℃/W。直接 强迫液体冷却的热阻为每平方厘米0.03℃/W。
Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
2-1
表
自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 和 值
Cn
强迫对流换热的准则方程
管内流动及沿平板流动的准则方程
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：入口段管内流动换热系数是不稳定的，所以计算平均
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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
热阻的确定
确定热阻的步骤
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
Rt
t
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。
a.
平壁导热热阻：
Rt
A
b.
1 h rh
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2C W ]
强制对流 自然对流
hd
Nu
Nu CRem Pr n Nu C(Gr Pr )n
柯尔朋传热因子 紧凑式换热面
j Nu Pr 1/3 Re
j CRem
h jucp Pr 2/3
表面换热系数计算
一、自然对流换热的准则方程
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
传热过程和传热系数
1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热 2 传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射
图墙壁的散热
辐射换热、 对流换热、 热传导
3 一维稳态传热过程中的热量传递 忽略热辐射换热，则
F12 —— 两物体表面的角系数。
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。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
Δt —— 换热表面与流体的温差， ℃。
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： φ —— 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；
图一维稳态传热过程
左侧对流换热热阻
Rh1
1 Ah1
固体的导热热阻
R
A
右侧对流换热热阻
Rh1
1 Ah1
上面传热过程中传递的热量为：
Φ (t f 1 t f 2 ) Rh1 R Rh2
(t f 1 t f 2 )
1 1
传热系数
Ah1 A Ah2
(1-10)
Φ Ak (t f 1 t f 2 ) Akt
图 两黑体表面间的辐射换热
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：
xt
5.67 1
AF12 xt
1 1 1
T1 100
4
T2 100
4
1 2
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；
k
1
1
1
1
rh1 r rh2
h1 h2
单位热阻或面积热阻
传热系数[W m2K，] 是表征传热过程强烈程度的标尺，
不是物性参数，与过程有关。
热电模拟
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。
二、对流
可分为自然对流和强迫对流两大类
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，℃。
对流换热热阻：
Φ t t
1 (hA) Rh q t t
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。
导热基本定律——傅立叶定律（一维导
热）
A t
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；
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。
管内层流沿程阻力计算(达西公式)
hf=λ (L/de)(ρ V2/2)
λ －沿程阻力系数，λ ＝64/Re 管内紊流沿程阻力计算
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
式中：ε —— 物体的表面黑度； σ0 —— 斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m2·K4)； A —— 辐射表面积，m2； T —— 物体表面的热力学温度，K。
T1
T2
T14
T24
q12 (T14 T24)
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，如
图1所示。
0.04
自然冷却
最大0.08
强迫风冷
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。
弯管修正
其他关联式
管内受迫层流换热准则式：
Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25
流动阻力
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。
Nu CRan
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；
八、直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设 备或元器件，其热阻值为每平方厘0.006℃/W。
九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优 点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重 量大、效率低。
十、热管是一种传热效率很高的传热器件，其传 热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端 的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减 小热管两端接触界面上的热阻。
hf=λ (L/de)(ρ V2/2)
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
非园管道沿程阻力的计算
最大0.31
直接液冷
最大0.62
蒸发冷却
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最大1.08
w/cm2
根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度
3.2 冷却方法的选择
根据温升在40℃条件下各种冷却方式的体积功率密度值的范围
二、冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下 图关系进行选择。这种方法适用于温升要求不同 的各类设备的冷却
三、设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却 表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。
对流换热热阻：
Rt
1 hc A
3冷却方法的选择
3.1冷却方法的分类 3.2冷却方法的选择 3.3冷却方法选择示例
3.1 冷却方法的分类
按冷却剂与被冷元件之间的配置关系
a. 直接冷却 b. 间接冷却
按传热机理
a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上 换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） c. 蒸发冷却 d. 热电致冷 e. 热管传热 f. 其它冷却方法
表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。
半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可 参考表2-4查取。
工程中常用的减小接触热阻的主要措施：
⑴ 加大接触表面之间的压力；
⑵ 提高两个接触面的加工精度；
⑶ 接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏 等；
⑷ 在结构强度许可的条件下，选用软的金属材 料制作散热器或器件的壳体。
四、利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容 易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传 热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积， 在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
五、大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。 自然对流冷却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。 有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。
第一章 电子设备热设计基本知识
一热源和耗散功率
电子设备只要通电就有发热，是热源，其 产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发 热功率）是热设计的基础。可以采用试验和 理论计算来确定。一般都增加安全系数，保 守取值，适当取高些。
热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温 度和最大热耗散的情况下设计。
耗散功率计算：
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热