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1、第3章 电子设备用冷板设计3.1 概述概述3.2 冷板的构造类型及选用原那冷板的构造类型及选用原那么么3.3 冷板的换热计算冷板的换热计算3.4 冷板的设计步骤冷板的设计步骤3.1 概述冷板冷板一种单流体空气、水或其它冷却剂的一种单流体空气、水或其它冷却剂的 热交换器。常作为电子设备底座。热交换器。常作为电子设备底座。气冷式冷板的功率密度：气冷式冷板的功率密度：1.5 W/cm2液冷式冷板的功率密度：液冷式冷板的功率密度：5 W/cm2冷板传热系数高的缘由在于：冷板传热系数高的缘由在于： 具有高导热系数；具有高导热系数； 冷板通道的当量直径较小；冷板通道的当量直径较小； 采用有利于加强对流换热
2、的肋外表几何外形。采用有利于加强对流换热的肋外表几何外形。2.2 冷板的构造类型及选用原那么冷板的类型普通可分为：冷板的类型普通可分为： 气冷式冷板气冷式冷板以空气为冷却介质；以空气为冷却介质； 液冷式冷板液冷式冷板以液体水或其它冷却剂为介质；以液体水或其它冷却剂为介质； 储热冷板储热冷板冷剂在相变过程中吸收熔解热；冷剂在相变过程中吸收熔解热； 热管冷板热管冷板热管与冷板相结合。热管与冷板相结合。冷板选用可根据设备以及元件的热流密度、热源分布、许用温度、压降及任务环境。典型冷板构造肋片的几何参数：肋片的几何参数： 肋片厚度：肋片厚度：0.10.25mm； 间距：间距：58片片/cm，最大，最大
3、可达可达16片片/cm; 高度：高度：2.520mm。肋片几何参数选择要点：肋片几何参数选择要点： 可根据冷板的任务环境条件湿度、气压、温度和污染度等可根据冷板的任务环境条件湿度、气压、温度和污染度等 选择肋片的外形、肋间距和肋厚。选择肋片的外形、肋间距和肋厚。 冷板的任务压力普通应低于冷板的任务压力普通应低于2.0MPa2.0MPa。 外表传热系数大时，选厚的和高度低的肋片；外表传热系数外表传热系数大时，选厚的和高度低的肋片；外表传热系数小时，选高而薄的肋片，以提高换热面积。小时，选高而薄的肋片，以提高换热面积。 当冷板外表与环境之间的温差较大时，宜选用平直形肋片当冷板外表与环境之间的温差较
4、大时，宜选用平直形肋片如三角肋，矩形肋；温差小时，选百叶窗式或锯齿形肋。如三角肋，矩形肋；温差小时，选百叶窗式或锯齿形肋。盖板、底板、隔板铝制，钎焊封条铝制，多种构造方式液冷式冷板液冷式冷板常见液冷式冷板的组成如图常见液冷式冷板的组成如图3-4所示。所示。液冷式冷板常用冷却剂的特性见表液冷式冷板常用冷却剂的特性见表3-3。三、储热冷板三、储热冷板 储热冷板用相变资料普通应保证其发生相变的温度大于储热冷板用相变资料普通应保证其发生相变的温度大于冷板的初始温度，熔解温度应小于冷板的许用温度。表冷板的初始温度，熔解温度应小于冷板的许用温度。表3-4为电子设备适用的相变资料的物理性能。为电子设备适用的
5、相变资料的物理性能。四、热管冷板四、热管冷板五、各类冷板的选用原那五、各类冷板的选用原那么么 冷板的选用可根据热源的分布集中、均布、非均冷板的选用可根据热源的分布集中、均布、非均 布、布、设备或器件的热流密度、许用温度、许用压降、任务环境条设备或器件的热流密度、许用温度、许用压降、任务环境条件等进展综合思索。件等进展综合思索。 高功率密度器件的散热，可选用强迫液冷冷板。高功率密度器件的散热，可选用强迫液冷冷板。 热量均布的中、小功率器件，可选用强迫空气冷却冷板，热量均布的中、小功率器件，可选用强迫空气冷却冷板， 气流速度在气流速度在14m/s的范围内选择。的范围内选择。 按脉冲工况运转的器件或
6、设备的内热源与外部热环境之间的按脉冲工况运转的器件或设备的内热源与外部热环境之间的温度有较大的周期性变化，可选用储热冷板。温度有较大的周期性变化，可选用储热冷板。3.3 冷板传热外表的几何特性第45页3.5无相变工况冷板外表的传热与阻力特性1.1. 流动有层流和湍流之分流动有层流和湍流之分2. 3.层流：层流：4.过渡区：过渡区：5.旺盛湍流：旺盛湍流：为达西阻力系数f充分开展层流此表中1=同一截面外形的通道，均匀热流的Nu比均匀壁温的Nu高=Nu与Re无关=不同截面的当量直径一样，那么Nu也不一样 二、过渡区空气在雷诺数1000至10000间范宁摩擦系数三三. . 充分开展湍流充分开展湍流
7、1 1适适用用上上运运用用最最广广的的是是迪迪贝贝斯斯贝贝尔特公式：尔特公式： 加热流体时加热流体时 ， 冷却流体时冷却流体时 。 式式中中: : 定定性性温温度度采采用用流流体体平平均均温温度度 ，特征长度为，特征长度为 管内径。管内径。 实验验证范围：实验验证范围： 此此式式适适用用与与流流体体与与壁壁面面具具有有中中等等以以下下温温差场所。差场所。2采用齐德泰特公式：采用齐德泰特公式： 定性温度为流体平均温度定性温度为流体平均温度 按壁温按壁温 确确 定，管内径为特征长度。定，管内径为特征长度。 实验验证范围为：实验验证范围为：3格林尼斯基公式范宁摩擦系数 定性温度为流体平均温度定性温度
8、为流体平均温度 按壁温按壁温 确定，管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。确定，管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。 实验验证范围为：实验验证范围为：实践工程换热设备中，层流时的换热经常处于入口段的实践工程换热设备中，层流时的换热经常处于入口段的范围。可采用以下齐德泰特公式。范围。可采用以下齐德泰特公式。五、扩展外表的关系式插表格和图凯斯和伦敦关系式 第50页 不太准3.3 冷板的换热计算一、气冷和液冷式冷板的计算一、气冷和液冷式冷板的计算1. 计算所根据的方程：对流换热方程和能量平衡方程计算所根据的方程：对流换热方程和能量平衡方程 对流换热方程：对流换热方程： 肋片外表对流换热系肋片外表对流换
9、热系数；数； A 参与对流换热的总参与对流换热的总面积；面积； tm 对数平均温差对数平均温差, ； 0 冷板的总效率；冷板的总效率； qm 冷却剂的质量流量冷却剂的质量流量, kg/s； cp 冷却剂的定压比热；冷却剂的定压比热； t2 冷却剂的出口温度冷却剂的出口温度, ； t1 冷却剂的进口温度冷却剂的进口温度, 。 平衡方程：平衡方程：定义对数平均温差：定义对数平均温差：定义传热单元数：定义传热单元数：冷板外表的平均温度为：冷板外表的平均温度为：冷板中冷却剂的流动总压降：冷板中冷却剂的流动总压降：式中：式中：gm 单位面积的质量流量质量流速，单位面积的质量流量质量流速， kg/(m2s
10、)； 1 冷却剂进口时的密度，冷却剂进口时的密度，kg/m3； 2 冷却剂出口时的密度，冷却剂出口时的密度，kg/m3； m 冷却剂的平均密度，冷却剂的平均密度， kg/m3； 冷板孔度，即冷板通道截面积与冷板迎风面积之比；冷板孔度，即冷板通道截面积与冷板迎风面积之比； Ac 冷板通道的横截面积最小自在流通面积，冷板通道的横截面积最小自在流通面积，m2； Kc 冷却剂进口压力损失系数，冷却剂进口压力损失系数，Kc(Re, )，查图，查图3-8或图或图3-9确定；确定； Ke 冷却剂出口压力损失系数，冷却剂出口压力损失系数，Ke(Re, )，查图，查图3-8或图或图3-9确定；确定； f 摩擦系
11、数，查图或由公式计算。摩擦系数，查图或由公式计算。2. 冷板的外表传热冷板的外表传热系数系数 对于给定的冷板通对于给定的冷板通道，道，f、j 系数可按实系数可按实验结果取值见图验结果取值见图3-103. 冷板的总效率外表效率冷板的总效率外表效率式中：式中：Ap 盖板面积，盖板面积，m2； Af 肋片面积，肋片面积， m2 ； Ab 底板面积，底板面积，m2； f 肋片的效率；肋片的效率； b 底板的效率；底板的效率； 二、储热冷板的计算二、储热冷板的计算需用的相变资料质量需用的相变资料质量式中：式中： Q 电子元器件耗散的功率，电子元器件耗散的功率，W； ce 整个储热冷板的比热容；整个储热冷
12、板的比热容； 电子设备要求的温度控制周期电子设备要求的温度控制周期, s ； cf 相变资料的比热容；相变资料的比热容； tm 相变资料的熔解温度，相变资料的熔解温度，； rf 相变资料的熔解热相变资料的熔解热, J/kg。 t1 冷板的初始温度，冷板的初始温度，； 3.4 冷板的设计步骤一、校核计算步骤一、校核计算步骤知冷板的构造、尺寸、冷却剂流量和任务环境。知冷板的构造、尺寸、冷却剂流量和任务环境。 计算冷却剂通道的当量直径计算冷却剂通道的当量直径de、通道截面积、通道截面积Ac、总换热面积、总换热面积A和肋和肋片换热面积片换热面积Af 。 计算冷却剂的温升计算冷却剂的温升 计算定性温度计
13、算定性温度 根据定性温度查取物性参数，计算流根据定性温度查取物性参数，计算流体在通道中的质量流速和雷诺数：体在通道中的质量流速和雷诺数： 计算外表传热系数：计算外表传热系数： 计算肋片效率及总效率外表效率：计算肋片效率及总效率外表效率：肋片效率：肋片效率： 肋片参数，肋片参数，m-1； l 肋片高度，肋片高度，m； f 肋片资料的导热系数；肋片资料的导热系数； f 肋片厚度，肋片厚度，m； 计算传热单元数计算传热单元数NTU：总效率视盖板和底板的效率为总效率视盖板和底板的效率为1： 冷板外表温度冷板外表温度 计算压降计算压降 比较冷板温度和压降。如不满足条件，那么需改动冷却剂的流量，比较冷板温
14、度和压降。如不满足条件，那么需改动冷却剂的流量，反复步骤反复步骤，直至满足要求。，直至满足要求。二、设计计算步骤二、设计计算步骤目的：确定一个满足设备温升控制要求的冷板。目的：确定一个满足设备温升控制要求的冷板。 根据预设的冷板构造尺寸、选取的肋片参数和其它参数分量、根据预设的冷板构造尺寸、选取的肋片参数和其它参数分量、体积、强度等计算当量直径体积、强度等计算当量直径de、单位面积冷板的传热面积、单位面积冷板的传热面积S1、单位宽度冷板通道的横截面面积单位宽度冷板通道的横截面面积S2及及Af /A比值等。比值等。 取定性温度为取定性温度为t1时冷却剂的物性参数。时冷却剂的物性参数。 计算冷却剂
15、的温升计算冷却剂的温升 计算冷却剂的出口温度计算冷却剂的出口温度 计算定性温度计算定性温度并按定性温度查取冷却剂的物性参数。并按定性温度查取冷却剂的物性参数。 设定冷板为设定冷板为B1，计算通道截面面积，计算通道截面面积 计算冷却剂的质量流速计算冷却剂的质量流速 计算雷诺数计算雷诺数 计算外表传热系数计算外表传热系数 计算肋片效率及总效率计算肋片效率及总效率 计算热效率计算热效率 计算传热单元数计算传热单元数 计算总面积计算总面积 计算冷板的长度计算冷板的长度 计算压降计算压降 比较比较 。如不满足要求，那么重新设定。如不满足要求，那么重新设定B1 、L1，反复步骤，反复步骤，直至满足要求。，直至满足要求。3.8液体冷板设计的一些特殊问题一、系统阻力计算与泵的选择部分阻力与沿程阻力和高度差二、膨胀箱三、等效管长
