热设计知识

热设计林小平热设计目录1 传热学基础 (1)1.1热传导 (1)1.2 热对流 (1)1.3 热辐射 (1)1.4增强散热的方式 (2)1.5 基本概念 (3)2 流体力学基础 (5)2.1 控制方程 (5)2.2准则参数 (6)3 散热方式 (7)3.1 自然冷却 (7)3.2 强迫空气冷却 (7)3.3 液体冷却方案 (7)3.4 冷板冷却 (8)3.5 热管 (8)3.6 热电冷却 (8)3.7 蒸发冷却 (8)3.8 相变冷却 (9)3.9 冷却方式选择 (9)4 热设计要点 (11)4.1 热设计的基本步骤和流程图 (11)4.2 热设计应考虑的问题 (12)4.3 热设计基本要求 (13)4.4 热设计基本原则 (13)5 常见热设计 (14)5.1 风冷设计 (14)5.2 液体冷却系统的设计 (17)5.3 冷板设计 (17)5.4 热管 (19)6 热仿真 (21)6.1 仿真模拟的求解过程 (21)6.2 软件结构 (22)6.3 边界条件 (23)7 热测试 (25)7.1 热测试概述 (25)7.2 热负载测试过程 (26)7.3热测试时的注意事项 (27)1.传热学基础热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射。

1.1热传导导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。

Φ=λA∆T δ式中：Φ —热流量，W；λ—比例系数，热导率或导热系数，W/（m·K）；A —传导换热面积，m2；Δt —导热温差，℃或K；δ —厚度，m。

要想获得较为准确的热分析，首先得获得准确的材料的导热系数。

1.2 热对流热对流是指在流体中不同温度的东西之间有相对的位移产生时所引起的热量传递的过程。

自然对流是指因为流体存在密度的差异而导致的各物质间产生相对的运动；而强迫对流是因为机器（泵或风机）相对运动的影响或其他压力差所产生的。

Φc = h c ⋅A⋅∆t式中：Φc—热流量，W；hc —比例系数，称为对流传热系数,W/（m2·K）；A —换热面积,m2；Δt —流体与壁面的温差，℃或K；用于指代对流传热性能好坏的是对流传热系数。

1.3 热辐射热辐射是指物体因为热的原因使得内能向电磁波转化而引起的辐射过程。

式中：Φr—热流量，W；T —黑体表面温度，K；A —黑体的辐射面积，m2；σb—黑体辐射常数，σb=5.67×10-8 W/（m2·K4）；C b—黑体辐射系数，C b=5.67 W/（m2·K4）。

在工程应用上一般是通过以上两种或三种基本传热方式组成的热传递过程。

其传热的基本计算式如下：由上式可知，有两个基本的增强传热的途径：分别是加大传热温差Δt与减小传热面的总热阻R t。

1.4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：（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 PCB 板中，利用周围 PCB 板的表面散热。

（2）增加流过表面的流速，可以增加换热系数。

（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。

（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。

（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自然对流和导热、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。

降低几种传热热阻的方法如下表所示：1.5 基本概念1.电子设备工作过程中可能的三种热量来源：（1）功率元件耗散的热量：电能→热能；（2）周围环境传递给设备的热量；（3）大气中高速运动的设备由摩擦引起的增温。

2.稳态传热：若电子设备通电并处于长期工作状态，要求在此期间内电源稳定，电子元件及其安装结构如印制板的温度通常是稳定的。

线电压的轻微波动、各个元件物理特性的少量变化以及外部环境的轻微改变，对电子设备内部的温度会有一定的影响。

但是对于大部分长期工作的电子设备来说，最终会达到热增益等于热耗散的热平衡状态。

此时，热量从设备的较热部位流向较冷部位，直至终端散热器时的温度梯度保持不变，表明设备已达到了稳定状态。

3.瞬态传热：电子设备加电至热平衡尚未达到前；电子设备经受温度循环试验时；绕地球轨道运行的卫星；待发射状态的导弹等系统内部的电子装置；需要利用从固态变为液态，或从液态变为气态等相变过程来吸热。

4.热沉：热量经传热路径达到的最终位置。

可以是大地、大气、大体积的水等。

5.面（体积）热流密度：单位面积（体积）的热流量；W/㎡（W/m³）。

6.温升：指元器件温度与环境温度的差值。

7.热耗：器件正常运行时产生的热量，热耗小于器件输入的功耗。

8.雷诺数（Re）：雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。

当Re≤2200时，流动属于层流状态；当Re＞10000时，流动属于湍流状态，而当2200＜Re≤10000时，流动属于层流向湍流过度的过渡状态。

9.层流：指流速低于临界速度时形成的流动，流体质点做定向有规则的运动；分子的流线互相平行，互不交叉，流体层与层之间不发生传质现象。

10.湍流：当流速超过临界流速时，流体分子质点明显出现不规则的、杂乱的运动过程。

11.风机特性曲线：指风机在某一固定转速下，静压随风量变化的关系曲线。

12.系统阻力损失：沿程阻力损失和局部阻力损失之和。

13.沿程阻力损失：流体相互运动产生的阻力和流体与系统的摩擦引起的阻力损失。

14.局部阻力损失：流体方向发生变化或者管道截面积突变所引起的阻力损失。

15.边界条件：第一类热边界条件：固定边界上的温度值，即规定某边界温度保持恒定。

第二类热边界条件：规定了某边界上的热流密度值。

第三类热边界条件：规定某边界上物体与周围流体间的表面换热系数及周围流体的温度。

2 流体力学基础2.1 控制方程1.伯努利方程（能量守恒） 求解温度场21222222111122-+++=±++w p h gv g p z H g v g p z αραρ 式中： Z 为相对几何高度；α为动能修正系数；p H ±为获得或失去的能量；21-w h 为损失的能量。

或2.连续性方程（质量守恒） 0)()()(=∂∂+∂∂+∂∂+∂∂zv y v x v t z y x ρρρρ3.N-S 方程（动量守恒） 求解速度场或2.2准则参数3 散热方式3.1 自然冷却自然冷却指的是没有外部的任何辅助手段(例如压气机)参与，而主要利用传热的三种基本方式（传导、对流和辐射）使热量往周围环境中散去，以使散热冷却的目的实现。

此冷却方式通常对那些零部件较小的散热比较适用，以及某些密封组件不适合使用另外的散热技术的情况，具体的适用范围是热通量不超过0.08W /cm2。

自然对流对流体密度的变化比较有依赖性，驱动力的形成较小，所以容易在流动过程中因阻力而受到影响，从而使流体的冷却速率和流量大小降低。

自然对流在流道线路无阻碍且有较大温差的情况下，还是属于比较有效的散热方式。

这种散热方式在热设计时应使各接触面的热阻尽可能减小，使风道改善，并使散热面积与辐射面增大。

3.2 强迫空气冷却强迫空气冷却是比较实用的一种冷却方法，适用范围是热通量在0.08－1.0W /cm2之间。

要是电子设备内各个部件之间的间隙能够使空气流动或散热器排布方便，应尽可能采用这种强迫空气冷却方式。

这种冷却方法凭借其方便的使用性、结构简单和低制作成本等一系列优点得到了很好的发展。

它利用强迫对流的作用，使散热器上来自热源的热耗散直接往周围环境中散发。

增强对流传热的主要方法有：增大对流传热系数以及散热面积。

3.3 液体冷却方案一些性能较高的电子计算机和航空电子等设备中越来越多地应用到高热通量的器件，依靠单一的空气冷却技术已经难以实现相关的热控制要求。

液体冷却凭借快速且高效的特点，在冷却那些热通量较高的器件上获得了很好的应用，并逐渐被大多数国家视为研究的主要方向。

液体冷却方式主要利用吸热装置来接收热量，使冷却液由水泵带动而进行循环流动，然后令热量由散热区域散发掉，如此循环往复以便使冷却的目的实现。

这种散热方式具有良好的散热效果，并均衡了电子设备的热量和工作噪音。

它还能够散发那些传导到机箱外的热量，防止机箱内因芯片的热量积聚而导致温度升高，使其它硬件的正常工作受到影响。

但水冷散热系统的使用也存在一些缺点，如体积较大、不方便进行使用、成本高以及不容易安装，而且必须对漏水与结露等情况进行防护。

液冷主要包括直接与间接两种类型的冷却方法。

采用直接液冷时，被冷却器件直接与液体介质（一般是惰性液体）相接触。

直接液冷的散热能力最大能够达到800W/cm2，但是它需要采用特定的液体以及特殊的结构，所涉及的成本较大，而且控制要求高和可靠性不好，所以较少出现在商用中。

间接液冷中，液冷冷板等结构承受那些来自芯片的热量，在热交换的同时，液冷冷板还起着支撑的作用。

3.4 冷板冷却电子设备的散热大多是通过强迫对流的方式来实现的，冷板是其中应用较好的散热装置，它完成散热的方式主要是依靠热传导和热对流。

金属板上安装的元器件所产生的热量，在冷却剂对金属板的作用下而散失。

以铜板或铝板为材料的冷板，具有较高的传热能力，它为冷却剂带来的热传导路径非常好。

冷板作为现在冷却领域效果较好且较为常见的散热方式，所代表的结构设计在如今高功率密度电子设备中占有较高的地位。

3.5 热管热管作为传热元件拥有非常高的热传导性能，它传递热量的方式是利用液体的蒸发与冷凝，并从毛细作用等与流体原理有关的角度出发，以达到同冰箱的压缩机相似的制冷效果。

等温性好与导热性高是它最大的特点，且拥有可逆的热流方向以及可变的热通量。

换热器采用热管时能够获得更高的传热效率与更小的流体阻损，紧凑的结构和可控制的管壁温度以及避免露点腐蚀等优点都会体现出来。

3.6 热电冷却热电冷却是利用低温区(冷端)与散热器(热端)间进行热能与电能的相互转换。

由于依靠的是热电偶条引发的致冷效应，所以活动部件状态良好，不用进行维护。

还有，它同其它固态器件的可靠性与使用寿命没差别。

而它的主要不足之处是热性能系数不高。

3.7 蒸发冷却现在最有效的冷却方法是蒸发冷却(沸腾)，自然散热的效果比它还要低10000倍左右。

它是通过两个有关效应的传热形成的，第一个是通过液体汽化的潜热，第二个是通过局部湍流以及气泡产生的迁移效应，来提高传热系数。