电子科技大学(热设计培训讲义).ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,产品的热设计方法,10/27/2026,1,介绍,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，最终导致元件失效。,2,介绍,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。,3,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。,4,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。,5,风路设计方法,自然冷却的风路设计,设计案例,6,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,7,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；,8,风路设计方法,强迫冷却的风路设计,典型结构,9,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,10,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,-,抽风方式,11,热设计的基础理论,自然对流换热,大空间的自然对流换热,N,u,=C(G,r,.P,r,),n,.,定性温度：,t,m,=(t,f,+t,w,)/2,定型尺寸按及指数按下表选取,12,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,与高度之比,/h0.3,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,t,3,)/,3,2000,时，通过夹层的热量可按纯导热过程计算。,13,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.Pr50,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：,N,u,=0.15R,e,0.33,P,r,0.43,G,r,0.1,(P,r,/P,rw,),0.25,管内受迫紊流换热准则式：,t,w,t,f,N,u,=0.023R,e,0.8,P,r,0.4.,t,w,t,f,N,u,=0.023R,e,0.8,P,r,0.3,15,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,m,3,/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=,Q,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：,V,1,A,1,=V,2,A,2,.,对可压缩流体,：,1,V,1,A,1,=,1,V,2,A,2,16,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/+v,2,/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+v,2,/2g,常数，假设流体从断面,1,到断面,2,的能量损失为,h,w,，,则元流的能量方程式为：,Z,1,p,1,/+v,1,2,/2g,Z,2,p,2,/+v,2,2,/2g,h,w,17,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。,R,e,=,Vd,e,/,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,。,R,e,=,Vd,e,/,2300,紊流,18,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,),h,f,=,(L/d,e,)(,V,2,/2),沿程阻力系数，,64/Re,管内紊流沿程阻力计算,h,f,=,(L/d,e,)(,V,2,/2),f(R,e,，,/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,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：,4000Re10,5,采用布拉修斯公式计算：,0.3164/R,e,0.25,19,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。,d,e,=4A/x,局部阻力,h,j,V,2,/2,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：,1,(1-A,1,/A,2,),按大面积流速计算的局部阻力系数,：,2,(1-A,2,/A,1,),突然缩小：,可从相关的资料中查阅经验值。,20,散热器的设计方法,散热器冷却方式的判据,对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于,0.039W/cm,2,，,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/cm,2,，,可采用自然风冷。,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/cm,2,而小于,0.078W/cm,2,，,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/cm,2,而小于,0.078W/cm,2,，,必须采用强迫风冷。,21,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。,22,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。,23,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。,24,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,25,散热器的设计方法,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,26,散热器的设计方法,不同形状、不同的成型方法的散热器,的传热效率比较,27,散热器的设计方法,散热器的相似准则数及其应用方法,相似准则数的定义,28,散热器的设计方法,散热器的相似准则数及其应用方法,相似准则数的应用,29,散热器的设计方法,散热器的基板的优化方法,30,散热器的设计方法,不同风速下散热器齿间距选择方法,31,散热器的设计方法,不同风速下散热器齿间距选择方法,32,散热器的设计方法,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,33,散热器的设计方法,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。,34,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，如图,1,所示。,35,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,36,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,248381432mm,，,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(2.482.2.48+2.484.32+2.2.814.32)=0.04W/cm,2,根据图,2,查得，当,t=40,，,q=0.04W/cm,2,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。,37,热设计的计算方法,机箱的热设计计算,密封机箱,W,T,=1.86(S,s,+4S,t,/3+2S,b,/2)t,1.25,+4T,m,3,T,对通风机箱,W,T,=1.86(S,s,+4S,t,/3+2S,b,/2)t,1.25,+4T,m,3,T+1000uAT,对强迫通风机箱,W,T,=1.86(S,s,+4S,t,/3+2S,b,/2)t,1.25,+4T,m,3,T+,1000Q,f,T,38,热设计的计算方法,机箱的热设计计算,案例,有一电子设备其总功耗为,55W,，,其外形尺寸长、宽、高分别为,400mm,、,300mm,和,250mm,，,外壳外表面的黑度为,=0.96,，,外表面的温度为,35,，周围环境温度为,25,，设备内部的空气允许温度为,40,，设备的四个侧面及顶面参与散热，试进行自然冷却设计计算。,解,:,密封机箱的最大散热量,Q,T,=1.86(S,s,+4S,t,/3+2S,b,/3),t,1.25,+4,T,m,3,F,辐射,t,1.86(1.4,0.25+0.4,0.3,4/3),10,1.25,+4,5.67,10,-8,0.96,(0.4,0.3+1.4,0.25),308,3,10=16.87+29.9=46.78WQ=55W,显然，密封机箱不能够满足散热要求，需开通风口。,通风机箱的通风面积计算,Q,T,=1.86(S,s,+4S,t,/3+2S,b,/2),t,1.25,+4,T,m,3,F,辐射,t+1000uS,in,t,55,1.86(1.4,0.25+0.4,0.3,4/3),10,1.25,+4,5.67,10,-8,0.96,(0.4,0.3+1.4,0.25),308,3,10,1000,0.1,S,in,10,S,in,=82.2cm,S,out,(1.5-2.0)S,in,=164.4 cm,2,39,热设计的计算方法,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：,S,in,=Q/(7.410,-5,Ht,1.5,),s-,通风口面积的大小，,cm,2,Q-,机柜内总的散热量，,W,H-,机柜的高度，,cm,，,约模块高度的,1.5-1.8,倍，,t=t,2,-t,1,内部空气,t,2,与外部空气温度,t,1,之差 ，,出风口面积为进风口面积的,1.5-2,倍,40,热设计的计算方法,强迫风冷出风口面积的计算,模块,有风扇端的通风面积,:,S,fan,=0.785(,in,2,hub,2,),无,风扇端的通风面积,S=(1.1-1.5),S,fan,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)(NS,模块,),N-,每层模块的总数,S,模块,-,每一个模块的进风面积,41,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=27U=14U,进风口的面积按下式计算：,S,in,=Q/(7.410,-5,Ht,1.5,),=360/(7.410,-5,14 4.4420,1.5,)=875 cm,2,进风口高度,h,机柜的宽度按,B=680mm,计，则进风口的高度为：,H=S,in,/B=875/68=128.7mm,b,出风口面积,S,out,S,out,=(1.5-2.0)S,in,=2875=1750 cm,2,42,热设计的计算方法,实际冷却风量的计算方法,q=Q/(0.335T),q-,实际所需的风量，,M3/h,Q-,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。,43,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)=159.2m,3,/h,按照,2,倍的裕量选择风扇的最大风量：,q=2q=2,159.2=318.4m,3,/h,下表风扇为可选型号,44,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。,R,SA,=R,对,+R,导,+R,辐,R,对,=1/,（,h,c,F,1,）,F,1,-,对流换热面积,(m),h,c,对流换热系数,(w/m,2,.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/(4,T,m,3,),R,导,R,基板,R,肋导,/(,F,2,)+,（,(1/,）,-1)R,对流,-,导热系数，,w/m.h.,-,散热器基板厚度,(m),-,肋效率系数,F,2,-,基板的导热面积,(m),F,2,=0.785*(d+,),2,d-,发热器件的当量直径（,m),45,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,h,cs,=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,h,ct,=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,h,cb,=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,46,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,R,ef,10,5,h,c,(1.1-1.4),空气,0.032R,ef,0.8,/L,肋片效率,对直齿肋：,=,th(mb)/(mb,),m=(2 h,c,/,0,),0,：,肋片根部厚度,(m),b.,肋高,(m),47,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,h,f,+h,j,=,f,L/d,e,V,2,2,/2+,V,2,2,/2,f,-,沿程阻力系数,L-,流向长度,(m),d,e,-,当量水利直径,(m),，,d,e,=4A,流通,/,湿周长,V-,断面流速,(m/s),沿程阻力系数计算,f,层流区：,Re=Vd/,2300,f,=64/Re,紊统光滑区,4000Re10,5,f,=0.3164/Re,0.25,-,运动粘度系数（,m,2,/s,），,从文献中查找,48,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,突然扩大,按小面积流速计算的局部阻力系数：,1,(1-A,1,A,2,),按大面积流速计算的局部阻力系数：,2,(1-A,2,/A,1,),突然缩小,可从相关的资料中查阅经验值。,49,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,77.78cm,2,，,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,160m,3,/h,，,压头为,70Pa.,风道阻力曲线的计算,入口面积：,F,in,=0.785,D,2,=0.785,0.119,2,=0.01116m,2,流通面积：,F,f,=F,in,-,Fc,=0.01116-0.007778=3.338,10,-3,m,2,水力直径：,d,e,4F,f,/x=4,3.338,10,-3,/2.302=5.8,10,-3,m,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：,=64/R,e,64,/Vd,e,沿程阻力按下式计算：,h,f,=,(L/d,e,)(,V,2,/2)=(64,/Vd,e,)(L/d,e,)(,V,2,/2),=(64,16.96,10,-6,0.24/(V,0.0058,2,)(,V,2,/2),=(8.07/V)(,V,2,/2),局部阻力按下式计算：,h,j,V,2,/2,对于突然缩小，,A,2,/A,1,=0.003338/0.01116=0.3,，,查表,得,0.38,总阻力损失,H=,h,f,+,h,j,=(0.38+8.07/V)(,V,2,/2),50,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,R,ef,=V,L/,=5,0.24/16.96,10,-6,=5.6604,10,4,努谢尔特数：,N,uf,=0.66R,ef,0.5,=0.66(5.6604,10,4,),0.5,=157,对流换热系数：,h,c,=1.4,N,uf,/L=21.7w/m.k,m=(2 h,c,/,),0.5,=9.82,ml=9.82,0.03=0.295,，,查得：,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,h,c,F,t,=460.4W,计算结果表面，散热器及风扇选型是合理的。,51,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,/,q,m,C,p,确定定性温度,t,f,=(2t,s,+t,1,+t,2,)/4,，,冷板台面温度,t,s,为假定值,设,定冷板的宽度为,b,，,则通道的横截面积为,A,c,，,A,c,=b,A,c0,确定定性温度下的物性参数,(,、,C,p,、,、,P,r,),。,流体的质量流速和雷诺数,G=,q,m,/A,f,Re=,d,e,G/,根据雷诺数确定流体的状态,(,层流或紊流,),，,R,e,10,5,湍流,根据流体的状态,(,层流或紊流,),计算考尔本数,J,R,e,10,5,湍流,J=0.023/R,e,0.2,也可以根据齿形及雷诺数从,GJB/Z 27-92,图,12,18,查得,52,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=,JGC,p,P,r,2/3,计算肋片的效率,m=(2h/,),0.5,，,f,=,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,A,t,+A,r,A,b,，,0,1,A,r,(1-,f,),/A,计算传热单元数,NTU,h,0,A/q,m,C,p,计算冷板散热器的台面温度,t,s,=(e,NTU,t,2,-t,1,)/(e,NTU,-1),53,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,=,A,f,/A,c,查空气进入冷板时入口的损失系数,K,c,=f(Re,),：,根据雷诺数,R,e,及,从,GJB/Z 27-92,图,12,16,及图,12,16,查得,查摩擦系数,f=f(Re,),：,根据雷诺数,R,e,从,GJB/Z 27-92,图,12,18,查得,计算流动阻力,P,G,2,(K,c,+1-,2,)+2(,2,/,1,-1)+f,1,A/(A,f,m),-(1-,2,-K,e,),1,/,2,/(2,1,),54,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,PP,，,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,55,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=30.4mm,2,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,A,f,=30.4,29,22=0.0193952 m,2,冷板的横截面积,A,c,=120,120,2=0.0288 m,2,水力半径：,d,e,=4A,fi,/,=4,30.4/(2,9.5+3.8+2.6)=4.787mm,56,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,R,e,=d,e,G/,=,d,e,q,m,/,A,f,在,40,空气的物性参数为：,19.1,10,-6,kg/m.s,1.12kg/m,3,R,e,=(4.787,10,-3,1.12,0.3048,3,q,m1,/(60,19.1,10,-6,0.0193952),=6.831 q,m1,(q,m1,的单位为：,CFM),=,A,f,/A,c,=0.0193952/0.0288=0.673,57,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.H,2,O),，,工作点对应的风速为,4.14m/s,。,58,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,，,1.12kg/m,3,，,C,p,=1005.7J/kg.,=19.1,10,-6,kg/m.s,，,P,r,=0.699,质量流量,q,m,=0.080231,1.12=0.08986kg/s,t=,Q,/,q,m,C,p,=870.5/0.08986,1005.7=9.63,定性温度：,t,f,=(2t,s,+t,1,+t,2),=(2,80+40+49.63)/4=62.4,按定性温度查物性得：,1.06kg/m,3,，,C,p,=1005.7J/kg.,=20.1,10,-6,kg/m.s,，,P,r,=0.696,换热系数,质量流速,G=,q,m,/A,f,=4.14,1.12=4.64kg/m,2,.s,雷诺数,Re=,d,e,G/,=4.787,10,-3,4.64/(20.1,10,-6,)=1105.1,层流,J=6/R,e,0.98,=6/1105.1,0.98,=6.25,10,-3,h=JGC,p,P,r,-2/3,=6.25,10,-3,4.64,1005.7,0.696,-2/3,=37.14W/m,2,.,肋片效率,m=(2h/,),0.5,=(2,37.14/(180,0.001),0.5,=20.3,ml=20.3,0.11=2.23,f,=,th(ml,)/ml=th(2.23)/2.23=0.433,传热单元数,：,NTU,h,0,A/q,m,C,p,=,37.14,0.,433,3.241=0.5772,冷板的表面温度,：,T,s,=(e,NTU,t,2,-t,1,)/(e,NTU,-1)=61.9,显热,）,2.,低的传热温差（理论上,T 0,）,热管工作原理之一,87,热设计的发展趋势,热管技术,热管的工作原理之二,88,热设计的发展趋势,冷凝液籍助重力回流，优点：结构简单工作可靠,注意：,1.,必须工作在重力场；,2.,加热段必须位于放热段下。,热管技术,热管的工作原理之三,重力热管工作原理,89,热设计的发展趋势,1.,按不同的冷凝液体回收方式可分为：,冷凝液回收方式,热管形式,重力,重力热管,毛细力,标准热管,离心力,回转热管,热管技术,热管的形式,90,热设计的发展趋势,按热管的结构形状，可分为：,单管型热管,平板型热管,分离型（回路）热管,热管技术,热管的形式,分离型热管,平板型热管,91,热设计的发展趋势,由于热管的特有结构，使它具有许多独特的性质，它的应用正是以这些特性为基础。,（一）良好的导热性：,导热方式：,热管,工质相变,铜、银,显热,自由电子,分子热运动,导热系数：倍,热管技术,热管的特性,92,热设计的发展趋势,热管的特性,对实心铜棒：式中：,A,铜棒的横截面积,对于铜热管：如 为,10,则热管的,式中：,A,热管的当量横截面积,且这一比值随,d,0,，,l,而增大。,93,热设计的发展趋势,热管的特性理想的等温性,热管正常工作时，内部处于汽液两相的平衡状态,Clausius-Clapeyron,Eq,.,热管内蒸气由蒸发段流向冷凝段的压差,蒸发段与冷凝段间温差,因 很小，所以 也很小,但 （）随,Q,的增加而增加，可用于对等温要求很高的黑体炉、等温炉等,94,热设计的发展趋势,热量：,即,热流密度：,所以,热管的特性热流密度可调性,95,热设计的发展趋势,热管的特性传热方向的可逆性,96,热源：热流体的对流，热固体的辐射热，,固体的导热,单向传热：热二极管，美国阿拉斯加输,油管道的永久冻土层热管保护系,统，,114000,支热管，长度最长可,达,21m,。,温度控制：可控热导热管。,热设计的发展趋势,热管的特性,对外界要求的适应性,97,热设计的发展趋势,热管的特性热管的传热极限,粘性极限,声速极限,携带极限,毛细极限,沸腾极限,98,热设计的发展趋势,R1,：,热源与蒸发段外壁面间的（对流）换热热阻,R2,：,蒸发段管壁的径向导热热阻。,R3,：,蒸发段吸液芯的（径向）导热热阻,R4,：,蒸发段内表面的 蒸发换热热阻,R5,：,蒸汽的轴向流动热阻,R6,：,冷凝段内表面的冷凝换热热阻,R7,：,冷凝段吸液芯的（径向）导热热阻,R8,：,冷凝段管壁的（径向）导热热阻,R9,：,冷源与冷凝段外壁面的（对流）换热热阻,R10,：,管壁与吸液芯的轴向导热热阻,R5,R4,R3,R2,R1,R10,R6,R7,R8,R9,T,h,Tc,热管传热的热阻模型,99,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,（一）空间飞行器,温度控制：,卫星,航天飞行器,宇宙服,高传热量,小温差的传热,100,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,（二）核反应堆,核反应堆堆芯,的热控制。,101,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,余热回收系统,特点：,传热温差小；,传递热量大。,102,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,余热回收系统,:,热管锅炉、热管省煤器、热管空预器,103,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,余热回收系统,加热炉余热回收 高炉热风炉余热回收 水泥窑炉余热发电,窑炉余热回收 干燥机余热回收 锅炉空气预热器,104,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,热管散热器,105,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,106,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,107,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,电子器件冷却,有效的散热已成为十分重要的问题，常规金属（单相）散热器已无法满足不断增长的散热要求，高效、被动、紧凑型的相变散热器,热管散热器的应用已势在必行。,大功率,IGBT,热管散热器,108,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,高端,CPU,热管散热器,109,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,Note Book -RHE Type,110,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,Note Book -RHE Type,Fan,Fan,111,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,IPC or Server -RHE Type,112,Desktop PC,热设计的发展趋势,热管技术,-,热管的应用,113,热设计的发展趋势,热管技术,计算机,CPU,用热管散热器,0.35C/W at 90 watts with 2 m/s air flow,thermal resistance .45C/W,at 400 ft/min,114,热设计的发展趋势,热管技术,笔记本电脑用热管散热器及大功率,IGBT,用热管散热器,115,热设计的发展趋势,热管技术,Therma,-Base heat sinks,利用了热管的工作原理,但更符合大功率的散热方式,传热效率较传统的型材散热器高。,散热器基板温度低使元器件的可靠性更高。,风扇尺寸或数量的减少可以有效降低成本。,风扇的可以以较低的运转速度使风扇的可靠性提高。,对冷却风量的需求减小可以降低系统的噪音。,散热器较轻可以减少振动损坏。,元器件的布局具有更大的灵活性。,116,热设计的发展趋势,热管技术,Therma,-Base heat sinks,与,型材散热器的比较,117,热设计的发展趋势,Internal structure of a,Therma,-Base Heat Sink,热管技术,Therma,-Base heat sinks,的,工作原理,118,热设计的发展趋势,热管技术,Therma,-Base heat sinks,的,工作原理,119,热设计的发展趋势,热管技术,Phase plane,材料：,AL MR,162,。,Fill fluid,：,丙酮,热阻：,0.32K/W,尺寸：,21x4.2mm,120,总结,回顾所学的内容,本课程详细讲述了风路的设计方法、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。,如何应用？,大家在产品开发中遇到一般实际的热设计问题，都可以根据本课程讲述的方法解决。,121,