产品的热设计方法 热设计培训讲义（电子科技大学）

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1、产品的热设计方法*1介绍 v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v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

2、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。 v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 v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。 v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。 v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。 v海拔高度对热设计的影响及解决对策：了

3、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 。 v热仿真技术：了解热仿真的目的、要求，常用热仿真软 件介绍。 v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v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,

4、在机柜的前面板也应 开通风口。5风路设计方法v自然冷却的风路设计 设计案例6风路设计方法v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v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。

5、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v强迫冷却的风路设计 典型结构9风路设计方法v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v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v 自然对流换热 大空间的自然对流换热Nu=C(Gr.Pr)n.定性温度： tm=(tf+tw)/2定型尺寸按及指数按下表选取12热设计的基础理论v自

6、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=(Bgt 3)/350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：Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 管内受迫紊流换热准则式：twtf Nu=0.023Re0.8 Pr0.4.tw105h

7、c(1.1-1.4) 空气 0.032Ref 0.8/L 肋片效率 对直齿肋：=th(mb)/(mb)m=(2 hc/0)0：肋片根部厚度(m)b. 肋高(m) 47热设计的计算方法热设计的计算方法v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Phf+hj=fL/deV22/2+V22/2f -沿程阻力系数L-流向长度(m)de-当量水利直径(m)，de=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 4000105, 湍流根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数JRe105,湍流 J=0.023

8、/Re 0.2也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图1218查得52热设计的计算方法热设计的计算方法v冷板的计算方法 传热计算计算冷板的换热系数： h= JGCpPr2/3 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： AAt+ArAb， 01Ar(1-f)/A计算传热单元数 NTUh0A/qmCp 计算冷板散热器的台面温度ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)53热设计的计算方法热设计的计算方法v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=Af

9、/Ac 查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,)： 根据雷诺数Re及从GJB/Z 27-92 图1216及图1216查得 查摩擦系数f=f(Re,)： 根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图1218查得计算流动阻力PG2(Kc+1-2)+2(2/1-1)+f 1A/(Afm)-(1-2-Ke)1/2/(21) 54热设计的计算方法热设计的计算方法v冷板的计算方法 判断准则确定是否满足ts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v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；

10、 2.加热段必须位于放热段下。v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v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v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v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

11、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d0，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

12、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R5R4R3R2

13、R1R10R6R7R8R9ThTc热管传热的热阻模型99热设计的发展趋势v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v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v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v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v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

14、展趋势v热管技术-热管的应用热管散热器105热设计的发展趋势v热管技术-热管的应用106热设计的发展趋势v热管技术-热管的应用107热设计的发展趋势v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v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v热管技术-热管的应用Note Book - RHE Type 110热设计的发展趋势v热管技术-热管的应用Note Book - RHE Type

15、 Fan Fan111热设计的发展趋势热管技术-热管的应用IPC or Server - RHE Type 112Desktop PC热设计的发展趋势v热管技术-热管的应用113热设计的发展趋势v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/min114热设计的发展趋势v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v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