对家用电器产品热设计[论文]

对家用电器产品热设计的探讨
【摘要】本文阐述了家电产品热设计的基本原则,一般原则,热设计的方法,步骤。

【关键词】导热对流辐射热量热阻温度热电模拟热流密度
1 环境因素对设备的影响
环境因素造成的设备故障是严重的。

国外对机载设备进行故障剖析,50%以上的故障是由环境因素所致,而温度、振动、湿度三项环境造成的故障率则高达44%。

美军标mil-std-210前言的第一句话:“在第二次世界大战期间,由于没有从战斗和支援设备工作所处的及所承受的全球气候极值出发对设备进行充分的设计和试验,以致这些设备失效。

鉴于这种情况,特制订mil-std-210。

(1)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。

(2)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95℃;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,最终导致元件失效。

大部分电子元器件温度每升高10℃,其可靠度下降一半,或者说其失效率增加一倍。

体积缩小,功率增加,热流密度急剧上升。

散热问题是制约产品小型化的关键问题。

2 家电热设计的目的
为了控制产品内部所有电器件和电子元器件的温度,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。

同时保证产品整体外表面的温度达到使用要求,防止发生烫伤、火灾等隐患。

3 热设计基本原则
(1)凡有温差的地方就有热量的传递。

热量传递的两个基本规律是:热量从高温区流向低温区;高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。

(2)热量的传递过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类:凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程;反之则称为不稳定过程。

(3)在纯导热中,单位时间内通过给定面积的热量,与该点的温度梯度及垂直于导热方向的截面积成正比,这就是傅立叶定理。

(4)热量的传递有三种基本方式:导热、对流和辐射。

它们可以单独出现,也可能两种和三种形式同时出现。

4 热设计一般原则
(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;(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;(3)热量、热阻和温度是热设计中的重要参数;(4)温
度是衡量热设计有效性的重要参数;(5)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;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;热设计中允许有较大的误差;(6)热设计应考虑的因素包括:尺寸及重量、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。

5 热设计的方法
5.1 热电模拟
热设计计算大部分都采用了热电模拟法。

这种方法有利于电气工程师用熟悉的电路网路表示方法来处理热设计的问题,也有利于用计算机进行热分析。

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。

这种模拟方法适用于各种传热形式,尤其是导热,可以把热容模拟为电容。

5.2 热设计的步骤
(1)熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范和其它有关文件,确定设备(和器件)的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低坏境温度范围。

(2)确定可以利用的冷却技术和限制条件。

(3)对每个电子元器件进行应力分析,并根据设备可靠性及分配给每个元器件的失效率,确定每个元器件的最高允许温度。

(4)确定每个发热元器件的功耗。

(5)画出热电模拟回路图。

确定散热器和冷却剂的最高坏境温
度。

(6)按元器件和设备组装形式,计算热流密度。

(7)由电子元器件的内热阻,确定元器件的最高表面温度。

(8)确定元器件表面至散热器和冷却剂所需的回路总热阻。

(9)根据热流密度及有关因素,对热阻进行分析和初步分配。

(10)对初步分配的各类热阻进行评估,以便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达到这些要求。

(11)选择适用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。

(12)采用所选择的冷却方法的具体设计程序,对回路中每个热阻进行初步设计。

(13)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。

(14)热设计。

(15)进行热仿真,依据仿真结果确定热设计方案。

(16)热设计的同时,还应该考虑可靠性、安全性、维修性和电磁兼容性设计。

6 冷却方法的选择
(1)冷却方法可以根据热流密度和温升要求,按下图1所示关系进行选择,这种方法适用于各种温升要求不同的各类设备的冷却。

(2)散热器自然风冷方式的判据。

对通风条件较好的场合:散热器表面的热流密度小于0.039w/cm2,可采用自然风冷。

对通风条件较恶劣的场合:散热器表面的热流密度小于0.024w/cm2,可采用自然风冷。

(3)散热器强迫风冷方式的判据。

对通风条件较好的场合,散热器表面的热流密度大于0.039w/cm2而小于0.078w/cm2,必须采用
强迫风冷。

对通风条件较恶劣的场合，散热器表面的热流密度大于0.024w/cm2而小于0.078w/cm2,必须采用强迫风冷。

7 冷却方法选择举例
某家电产品的功耗为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
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。

若设备的温升有严格限制,假设只允许10℃,由图1可以看出,需强迫风冷才能满足要求。

8 热安装技术注意事项
(1)热敏元器件应放在设备的冷区(如进风口),不可直接放在发
热元器件之上(如空气下游);(2)发热量大的元器件应尽可能靠近
温度最低的表面(如金属外壳的内表面、金属底座及金属支架等)安装,并应与表面之间有良好的接触热传导;(3)应尽可能减小安装界面及传热路径上的热阻;带引线的电子元器件应尽量利用引线的导热。

热安装时应防止产生热应力,要有消除热应力的结构措施;(4)电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性及提高气流紊流程
度的原则。

为了提高散热效果,在适当位置可以加装紊流器;为降低从元器件壳体至印制板的热阻,可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条(板)上。

若不用粘接时,应尽量减少元器件与印制板或导热条(板)间的间隙;(5)大功率元器件安装时,若要用绝缘片,
应采用具有足够抗压能力和高绝缘强度及导热性能的绝缘片,如导热硅橡胶片。

为了减少界面热阻,还应在界面涂一层薄的导热膏;(6)同一块印制板上的电子元器件,应按其发热量大小及耐热程度分区排列,耐热性差的电子元器件放在冷却气流的最上流(入口处),耐
热性能好的元器件放在最下游(出口处);(7)有大、小规模集成电路混合安装的情况下,应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游处,小规模集成电路块放在下游,以使印制板上元器件的温升趋于
均匀。

9 热屏蔽和热隔离
为了减少与元件之间的相互作用,应采用热屏蔽与热隔离的措施,保护对温度敏感的元器件。

具体措施包括:(1)尽可能将流通路直接连接到热沉;(2)减少高温与低温元器件之间的辐射耦合,加热屏蔽板形成热区与冷区;(3)尽量降低空气与其它冷却剂的温度梯度;(4)将高温元器件装在内表面具有高的黑度、外表面低黑度的外壳中,这些外壳与散热器有良好的导热连接。

元器件引线是重要的导热通路,引线尽可能粗大。

参考文献:
[1]gjb/z27-92.电子设备可靠性热设计手册.
[2]qj1474-88.电子设备热设计规范.
[3]gb/t12993-91.电子设备热性能评定.
[4]gb/t12992-91.电子设备强迫风冷热特性测试方法.
[5]gb/z299b-98.电子设备可靠性预计手册.。