第二讲电子设备热设计方法

由图1可知，若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷 时，可以把机柜表面积减小到0.1m2（自然冷却所需的面积为0.75m2）。
•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。
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稳态传热 一般情况下，稳态设计
瞬态传热 周期性条件交变，急速过程，开关机可能造成
A1/A2)
按大面积流速计算的局部阻力系数：ζ2＝(1A2/A1)
突然缩小： 可从相关的资料中查阅经验值。
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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
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。
Δt —— 换热表面与流体的温差， ℃。
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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
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；
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•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
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•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
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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）
➢根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度
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•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
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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
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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。
第二讲电子设备热设计 方法
2020年7月26日星期日
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。
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。
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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。
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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。
➢ 导热基本定律——傅立叶定律（一维导 热）
式中：Φ —— 热流量，W；
λ—— 导热系数，W/(m·℃)；
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
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。 a. 平壁导热热阻： b. 对流换热热阻：
料制作散热器或器件的壳体。
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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
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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•对流换热热阻：
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•强制对流 •自然对流
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•柯尔朋传热因子 •紧凑式换热面
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➢ 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：
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•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？ 体积功率密度：
面积热流密度：
由于φV很小，根据图1查得，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，因此不需要 采取特殊冷却方法，依靠空气的自然对流散热就足够了。
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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•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
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•3 一维稳态传热过程中的热量传递 •忽略热辐射换热，则
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
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➢ 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＝ξρV2/2
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：ζ1＝(1-
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。
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•表面换热系数计算
一、自然对流换热的准则方程
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；
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
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❖ 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。 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。
c. 蒸发冷却
d. 热电致冷
e. 热管传热
f. 其它冷却方法
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❖ 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。
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。
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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
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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
设备热冲击损坏。等等
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•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）、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
Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
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表2-1 自然对流准则方程中的C和n 值
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
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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
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。
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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 传热方程
➢ 传热的基本计算公式为：
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
A —— 垂直与热流方向的横截面面积，m2；
—— 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。
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•无限大平板一维导热
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•t
• dx
•导热热阻
•单位面积导热热 阻
•dt
•
•Q
•0
• •x
•Q
•图 导热热阻的图示
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•单层圆筒壁的导热
•长度为 l 的圆筒 壁的导热热阻
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•接触热阻
•左侧对流换热热阻
•固体的导热热阻
•图一维稳态传热过程
•右侧对流换热热阻
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•上面传热过程中传递的热量为：
• 传热系数
•(1-10)
•单位热阻或面积热 阻
•传热系数
，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。
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•图 两黑体表面间的辐射换热
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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 ：
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。
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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。
•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
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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。
表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。
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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。
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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