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1、产品的热设计方法介绍 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。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温度。最高允许温
2、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。授课内容v 风路的设计方法 20分钟v 产品的热设计计算方法 40分钟v 风扇的基本定律及噪音的评估方法 20分钟v 海拔高度对热设计的影响及解决对策 20分钟v 热仿真技术、热设计的发展趋势 50分钟概述 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
3、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。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
4、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。风路设计方法v 自然冷却的风路设计 设计案例风路设计方法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
5、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；风路设计方法v 强迫冷却的风路设计 典型结构风路设计方法v 强迫冷却的风路设计 电源系统典型的风道结构-吹风方式风路设计方法热设计的基础理论v 自然对流换热 大空间的自然对流换热 Nu=C(Gr.Pr)n
6、. 定性温度： tm=(tf+tw)/2 定型尺寸按及指数按下表选取热设计的基础理论v 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=(Bgt 3)/32000时，通过夹层的热量可按纯导热过程计算。热设计的基础理论v 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
7、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： 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. twtf Nu=0.023Re0.8 Pr0.3热设计的基础理论v 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m3/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
8、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) VQ/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：V1A1=V2A2. 对可压缩流体 ： 1V1A1=1V2A2热设计的基础理论v 流体动力学基础 恒定流能量方程 对理想流体：Zp/+v2/2g=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Zp/
9、y+v2/2g常数，假设流体从断面1到断面2的能量损失为hw，则元流的能量方程式为： Z1p1/+v12/2gZ2p2/+v22/2ghw热设计的基础理论v 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。 Re=Vde/2300 层流 紊流：流体质点相互混
10、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。 Re=Vde/2300 紊流热设计的基础理论v 流体动力学基础 管内层流沿程阻力计算(达西公式) hf=(L/de)(V2/2) 沿程阻力系数，64/Re 管内紊流沿程阻力计算 hf=(L/de)(V2/2) f(Re，/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：4000Re105, 采用布拉修斯公式计算： 0.3164/Re 0.
11、25热设计的基础理论v 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。 de=4A/x 局部阻力 hjV2/2 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-A1/A2) 按大面积流速计算的局部阻力系数：2(1-A2/A1) 突然缩小： 可从相关的资料中查阅经验值。 散热器的设计方法v 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/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。v 散热器强迫
12、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。散热器的设计方法v 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。散热器的设计方法v 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
