产品的热设计方法

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

Ø    设计要点

ü    机柜的后门(面板)不须开通风口。

ü    底部或侧面不能漏风。

ü     应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。

ü     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。

ü     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

Ø    设计案例

风路设计方法

v 自然冷却的风路设计

Ø    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

Ø    设计要点

ü     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.

ü     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。

ü     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。

ü      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。

ü      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

Ø    典型结构

风路设计方法

v 强迫冷却的风路设计

Ø    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

Ø    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

热设计的基础理论

v 自然对流换热

Ø     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δ与高度之比δ/h>0.3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 δ3)/υ3<2000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

Ø     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.Pr<1700,按导热计算;

   (3) 有限空间的自然对流换热方程式:

               Nu=C(Gr.Pr)m(δ/h)n

            定型尺寸为厚度δ,定性温度为冷热壁面的平均温度Tm=(tw1+tw2  )

热设计的基础理论

v 流体受迫流动换热

Ø     管内受迫流动换热

        管内受迫流动的特征表现为:流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响。

        入口段:流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇合,这时管断面流速分布及流动状态才达到定型。这段距离称为入口段。入口段管内流动换热系数是不稳定的,所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正。在紊流时,如果管长与管内径之比L/d>50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:

           tw>tf      Nu=0.023Re0.8 Pr0.4.

            tw<tf      Nu=0.023Re0.8 Pr0.3

热设计的基础理论

v 流体动力学基础

Ø    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=γQ

      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

Ø    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。

Ø    恒定流连续性方程

       对不可压缩流体:V1A1=V2A2.

       对可压缩流体 :  ρ1V1A11V2A2

热设计的基础理论

v 流体动力学基础

Ø    恒定流能量方程

        对理想流体:Z+p/γ+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Z+p/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:

                   Z1+p1/γ+v12/2g=Z2+p2/γ+v22/2g+hw

热设计的基础理论

v 流体动力学基础

Ø    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。

Ø    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/ν<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

                  Re=Vde/ν<2300       紊流

热设计的基础理论

v 流体动力学基础

Ø    管内层流沿程阻力计算(达西公式)

        hf=λ(L/de)(ρV2/2)

          λ-沿程阻力系数,λ=64/Re

Ø     管内紊流沿程阻力计算

        hf=λ(L/de)(ρV2/2)

          λ=f(Re,ε/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ε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:4000<Re<105,    λ采用布拉修斯公式计算:

              λ=0.3164/Re 0.25

热设计的基础理论

v 流体动力学基础

Ø    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

Ø    局部阻力

             hj=ξρV2/2

            ξ-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:ζ1=(1-A1/A2)

                                   按大面积流速计算的局部阻力系数:ζ2=(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

 

Ø    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。

Ø    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 散热器强迫风冷方式的判据

Ø    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。

Ø    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

 

Ø    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。

Ø    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。

Ø    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。

Ø    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。

散热器的设计方法

v 强迫冷却散热器的设计方法

 

Ø    在散热器表面加波纹齿,波纹齿的深度一般应小于0.5mm。

Ø    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。

Ø    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。

Ø      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。

 

散热器的设计方法

v 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

散热器的设计方法

v 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

散热器的设计方法

v 不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较

散热器的设计方法

v 散热器的相似准则数及其应用方法

v 相似准则数的定义

散热器的设计方法

v 散热器的相似准则数及其应用方法

v 相似准则数的应用

散热器的设计方法

v 散热器的基板的优化方法

散热器的设计方法

v 不同风速下散热器齿间距选择方法

散热器的设计方法

v 不同风速下散热器齿间距选择方法

散热器的设计方法

v 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

散热器的设计方法

v 辐射换热的考虑原则

Ø    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。

Ø    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。

Ø    如果物体表面的温度低于50℃,

可不考虑辐射换热的影响。

Ø    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。

热设计的计算方法

v 冷却方式的选择方法

Ø    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。

Ø    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。

热设计的计算方法

v 冷却方式的选择方法

Ø    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

热设计的计算方法

v 冷却方式的选择方法

 

Ø    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2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2可以看出,需强迫风冷才能满足要求。

热设计的计算方法

v 机箱的热设计计算

Ø   密封机箱

       WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT

 

Ø   对通风机箱

     WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT

 

Ø   对强迫通风机箱

 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+ 1000QfΔT

热设计的计算方法

热设计的计算方法

v 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:

                    Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)

                           s-通风口面积的大小,cm2

                          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,

                         Δt=t2-t1-内部空气t2与外部空气温度 t1  之差  , ℃

            出风口面积为进风口面积的1.5-2倍

热设计的计算方法

v 强迫风冷出风口面积的计算

Ø    模块

      有风扇端的通风面积:

                    Sfan=0.785(φin2-φhub2)

      无风扇端的通风面积S=(1.1-1.5) Sfan

Ø    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)(N×S模块)

                    N—每层模块的总数

                   S模块—每一个模块的进风面积

热设计的计算方法

v 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=2×7U=14U

        进风口的面积按下式计算:

          Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)

            =360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2

        进风口高度h

               机柜的宽度按B=680mm计,则进风口的高度为:

                H=Sin/B=875/68=128.7mm

       b 出风口面积Sout

        Sout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2

热设计的计算方法

v 实际冷却风量的计算方法

 

          q`=Q/(0.335△T)

               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。

热设计的计算方法

v 实际冷却风量的计算方法

Ø    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。

Ø           实际所须风量为:

Ø           q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h

Ø            按照2倍的裕量选择风扇的最大风量:

Ø             q=2q`=2×159.2=318.4m3/h

Ø            下表风扇为可选型号

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    散热器的热阻

        散热器的热阻是从大的方面包括三个部分。

      RSA=R+R+ R

          R=1/(hc F1

                                F1–对流换热面积(m), hc –对流换热系数(w/m2.k)

                       R辐射换热热阻 ,对强迫风冷可忽略不计

                                                             对自然冷却 R=1/(4бεTm3)

                        R=R  基板+R肋导

                                              =δ/(λF2)+((1/η)-1)R对流

                                       λ–导热系数,w/m.h.℃

                                               δ– 散热器基板厚度(m)

                                               η– 肋效率系数

                                                F2–基板的导热面积(m)

                            F2=0.785*(d+δ)2

                                                                                 d- 发热器件的当量直径(m)

 

 

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    对流换热系数的计算

自然对流

   垂直表面

       hcs=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

             hct=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

             hcb=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

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    对流换热系数的计算

强迫对流

   层流  Ref<105

             hc=(1.1-1.4) λ空气 0.66Ref 0.5/L

   湍流 Ref>105

             hc=(1.1-1.4) λ空气 0.032Ref 0.8/L

Ø    肋片效率

            对直齿肋:

                       η=th(mb)/(mb))

                             m=(2 hc/λδ0)

                                 δ0肋片根部厚度(m)

            b.  肋高(m)

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    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

                   =λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2

                             λf –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λf

         层流区:Re=Vd/υ≤2300  λf=64/Re

         紊统光滑区 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25

                  υ–运动粘度系数(m2/s),从文献中查找

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    散热器的流阻计算

  局面阻力系数ζ

  突然扩大

       按小面积流速计算的局部阻力系数:ζ1=(1-A1A2)

       按大面积流速计算的局部阻力系数: ζ2=(1-A2/A1)

  突然缩小

        可从相关的资料中查阅经验值。

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    【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77.78cm2,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160m3/h,压头为70Pa.

   风道阻力曲线的计算

         入口面积:Fin=0.785×D2 =0.785×0.1192=0.01116m2

          流通面积:Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2

          水力直径: de=4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m

      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:λ=64/Re=64 ν/Vde

       沿程阻力按下式计算:

          hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64 ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)

            =(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)

            =(8.07/V)(ρV2/2)

         局部阻力按下式计算:

          hj=ξρV2/2

         对于突然缩小,A2/A1=0.003338/0.01116=0.3,查表得ξ=0.38

        总阻力损失 H=hf+ hj=(0.38+8.07/V )(ρV2/2)

热设计的计算方法

v 型材散热器的计算

Ø    【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  Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104

        努谢尔特数: Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157

        对流换热系数:hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.k

           m=(2 hc/λδ)0.5=9.82

           ml=9.82×0.03=0.295,查得:η=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=hcF△t η=460.4W

         计算结果表面,散热器及风扇选型是合理的。

 

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    传热计算

确定空气流过冷板后的温升:t=Q/qmCp

确定定性温度    tf=(2ts+t1+t2)/4, 冷板台面温度 ts为假定值

定冷板的宽度为b则通道的横截面积为Ac ,Ac=b×Ac0

确定定性温度下的物性参数(μ、Cp、ρ、Pr)。

流体的质量流速和雷诺数        G=qm/Af        Re=deG/μ

根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流),  Re<1800, 层流, Re>105, 湍流

根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J

       Re<1800,层流   J=6/Re 0.98 Re>105,湍流     J=0.023/Re 0.2

        也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12-18查得

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    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/λδ)0.5ηf=th(ml)/ml(也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)

算冷板的总效率:忽略盖板及底版的效率,总效率为:                                                                                    A=At+Ar+Ab  η0=1-Ar(1-ηf)/A

计算传热单元数    NTU=hη0A/qmCp

计算冷板散热器的台面温度

                  ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    流体流动阻力计算

计算流通面积与冷板横截面积之比

             σ=Af/Ac     

查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,σ) 根据雷诺数Re及σ从GJB/Z 27-92 图12-16及图12-16查得

查摩擦系数f=f(Re,σ):  根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12-18查得

计算流动阻力

  △P=G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ21-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke12]/(2ρ1)

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    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△P<[△P],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

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    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=30.4mm2

               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 Af =30.4×29×22=0.0193952 m2

              冷板的横截面积 Ac=120×120×2=0.0288 m2

              水力半径:de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    【案例】续

 

确定风扇的工作点

          Re=de G/μ=deqm/μAf

         在40℃空气的物性参数为: μ=19.1×10-6kg/m.s,   ρ=1.12kg/m3

          Re=(4.787×10-3×1.12×0.30483 qm1/(60×19.1×10-6×0.0193952)

              =6.831 qm1(qm1的单位为:CFM)

          σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    【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.H2O),工作点对应的风速为4.14m/s。

热设计的计算方法

v 冷板的计算方法

Ø    【案例】续

  空气流过冷板后的温升

       空气口温度为40 ℃,ρ=1.12kg/m3,Cp=1005.7J/kg. ℃

                          μ=19.1×10-6kg/m.s,   Pr=0.699

       质量流量  qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s

       △t= Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63 ℃

  定性温度 tf=(2ts+t1+t2)= (2×80+40+49.63)/4=62.4  ℃

            按定性温度查物性得: ρ=1.06kg/m3,Cp=1005.7J/kg.℃                                                     μ=20.1×10-6kg/m.s,Pr=0.696

  换热系数

  质量流速  G=qm/Af =4.14×1.12=4.64kg/m2.s

  雷诺数     Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1                      层流     J=6/Re 0.98=6/1105.10.98=6.25×10-3

      h= JGCpPr-2/3=6.25×10-3×4.64×1005.7×0.696-2/3 =37.14W/m2.℃

  肋片效率  m=(2h/λδ)0.5=(2×37.14/(180 ×0.001))0.5=20.3

            ml=20.3×0.11=2.23

            ηf=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433

  传热单元数:NTU=hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241 =0.5772

  冷板的表面温度: Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃<70℃

                冷板设计方案满足散热要求。

风扇的基本定律及噪音的评估方法

v 风扇定律

风扇的基本定律及噪音的评估方法

v  风扇的噪音问题

 

Ø    风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系,对于轴流风扇在大风量,低风压的区域噪音最小,对于离心风机在高风压,低风量的区域噪音最小,这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。

Ø    风扇进风口受阻挡所产生的

   噪音比其出风口受阻挡产生

   的噪音大好几倍,所以一般

   应保证风扇进风口离阻挡物

   至少30mm的距离,以免产生

   额外的噪音。

Ø    对于风扇冷却的机柜,在标

准机房内噪音不得超过55dB,

在普通民房内不得超过65dB。

风扇的基本定律及噪音的评估方法

v 风扇的噪音问题

Ø    对于不得不采用大风量,高风压风扇从而产生较大噪音的情况,可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料,吸音效果较好的材料主要是多孔介质,如玻璃棉,厚度越厚越好。

 

Ø    有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机,在保证设计风量的条件下,可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速,从而降低风扇的噪音。相应的噪音降低变化按下式计算:

                N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1)

 

风扇的基本定律及噪音的评估方法

v 风扇的噪音问题

Ø   【案例】:一电源模块采用一个轴流风扇进行冷却,为了有效抑止噪音,要求风扇只有在监控点的温度高于85℃才全速运转,其余情况风扇必须半速运转。已知风扇全速运转时转速为2000RMP,噪音为40db,求在半速运转时风扇的噪音为多少?如果已知全速运转时风扇的工作点为(50CFM,0.3IN.H2O),试求风扇在半速运转时的工作点。

     解:根据风扇定律

            N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1)

               =40+50 log10 (1000/2000) =24.9db

           P2 =P1 (RPM2/RPM1)2

              =0.3(1000/2000)2=0.075 IN.H2O

           CFM2 = CFM1 (RPM2/RPM1)

                =50(1000/2000)=25CFM

 

海拔高度对热设计的影响及解决对策

v 海拔高度对自然冷却条件的热设计要求

  对于自然对流,其传热机理是由于冷却空气吸热后其密度减小,迫使重力场中的空气上升而形成冷热空气的对流而产生热量传递。由于随着海拔高度的增加,空气的密度逐渐减小,空气上升的能力也就减少,自然对流换热的能力减弱。自然对流换热能力的变化最终体现在对流换热系数的变化上,根据美国斯坦伯格的经验公式,如果忽略空气温度的变化,可按下式计算海拔高度对自然对流的影响强弱。

hc(高空)=hc(海平面)高空海平面)0.5

            =hc(海平面) (p高空/p海平面)0.5

hc(高空),hc(海平面)-分别为高空及海平面的自然对流换热系数,W/m.k

ρ高空,ρ海平面-分别为高空及海平面的空气密度,Kg/m3

 p高空,p海平面-分别为高空及海平面的空气压力,帕斯卡

 

海拔高度对热设计的影响及解决对策

v 海拔高度对强迫冷却条件的热设计要求

   海拔高度对强迫风冷影响的机理是由于随着海拔高度的增加,空气密度减小,质量流速减小,空气分子间碰撞的概率降低,对流换热能力减弱。同样,强迫对流换热随海拔高度的变化最终体现在对流换热系数的变化上,美国军用标准规定,低于5000米以下的高空,如果忽略空气温度的变化,可按下式计算海拔高度对强迫风冷换热影响的强弱。

   层流:hc(高空)=hc(海平面)高空海平面)0.5

    湍流: hc(高空)=hc(海平面)高空/ ρ海平面)0.8

        hc(高空),hc(海平面)-分别为高空及海平面的强迫风冷对流换热系数,W/m.k

         p高空,p海平面-分别为高空及海平面的空气压力,帕斯卡

 

海拔高度对热设计的影响及解决对策

v 自然对流时的解决对策

    预先计算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小,通过增加相应的对流换热面积来弥补高空换热能力的减弱,按下式计算:

F对流(高空)= F对流(海平面)/(ρ高空海平面)0.5

 

海拔高度对热设计的影响及解决对策

v 强迫对流时的解决对策

Ø    增大面积法

     预先计算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小,通过增加相应的对流换热面积来弥补高空换热能力的减弱,按下式计算:

F对流(高空)= F对流(海平面)/(ρ高空海平面)0.5

 

Ø    提高风扇的转速

             RPM2/RPM1= ρ海平面高空

 

元器件工作结温的计算

v  元器件的工作结温计算

Ø     如果已知道散热器台面温度Ts , 则器件的工作结温为:

            Tj=Ts+ PT×Rth(j-s)

                       Rth(j-s) =Rjc+Rcs+Rb

                       Rth(j-s)-器件结到散热器的热阻,℃/W。

                       Rjc- 器件结壳热阻,℃/W,从器件使用手册中查得

                       Rcs— 壳到散热器的热阻,即接触热阻, ℃/W,可根据从器件使用手册中查得的值乘以适当的系数得到。

                       Rb– 绝缘垫片的热阻,℃/W,可绝缘垫片的数据资料中查得,无绝缘垫片时该项热阻为零。

Ø    如果已知散热器的热阻,环境温度,则器件的工作结温为:

            Tj=Ta+ PT×Rth(j-a)

                       Rth(j-a) =Rsa+Rjc+Rcs+Rb

                        Rth(j-a)-器件结到环境的热阻,℃/W。

                        Rsa-散热器热阻,℃/W

元器件工作结温的计算

v 元器件的工作结温计算

Ø   [案例1]30A模块中,输出二极管处散热器的台面温度为94.6 ℃,二极管的最大结温为175 ℃,结壳热阻为0.45 ℃/W,接触热阻为0.15 ℃/W,绝缘垫片的热阻为0.3 ℃/W,计算二极管的工作结温。

       Rjs= Rjc+ Rcs+Rb=0.45+0.15+0.3=0.9℃/w

       Tj= Ts+Pd×Rjs=94.6+44.2×0.9=134.4 ℃

Ø   [案例2] 如把[案例1]中的二极管在一散热器中央,散热器的热阻为0.8 ℃/w,环境温度为40 ℃。

           Rjs= Rsa+Rjc+ Rcs+Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/w

           Tj=Ta+ PT×Rth(j-a).=40+44.2×1.7=115.2 ℃

热仿真技术

v 为什么要进行热仿真分析?

 

Ø   提高产品的性能及可靠性。

Ø   更快地将产品投放市场。

Ø   降低设计、生产和重复设计、生产的费用。

Ø   减少试验和测量的次数。

热仿真技术

v 仿真分析技术及软件介绍

Ø   电子设备热设计软件是基于计算传热学技术(NTS)和计算流体力学技术(CFD)发展电子设备散热设计辅助分析软件,它可以帮助热设计工程师验证、优化热设计方案,满足产品快速开发的需要,并可以显著降低产品验证热测试的工作量。

Ø   目前商业的热设计软件种类繁多,有基于有限体积法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、Tas-Harvard thermal、Cool it、Betasoft,及基于有限元的Ansys等,其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占据大部分的市场份额。

热仿真技术

v 仿真分析技术软件在产品开发的作用

 

Ø   对产品的温度场作出预测,使我们在进行产品设计开发时关注热点区域。

Ø   进行各种设计方案的优劣分析,得出最佳的设计方案。

Ø   对产品的风路进行优化,最大限度的提高散热效率。

 

    任何先进的仿真软件已永远无法代替人,软件只是热设计人员所利用的工具之一。所以仿真软件结果的可靠性决定于热设计人员的经验及理论水平。

热仿真技术

v ANSYS软件介绍

 

Ø   Ansys软件是由美国Ansys公司推出的多物理场有限元仿真分析软件,涉及结构、热、计算流体力学、声、电磁等学科,能够有效地进行各种场的线性和非线性计算及多种物理场相互影响的耦合分析。Structure是该软件面向结构分析研究的专用模块。Flortran是该软件面向流场分析研究的专用模块。Thermal是其中面向热设计研究的专用模块。

热仿真技术

v Flothermal 热分析软件介绍

Ø    Flotherm是英国的FLOMERICS公司开发的电子设备热设计软件,其最显著的特点是针对电子设备的组成结构,提供的热设计组件模型,根据这些组件模型可以快速的建立机柜、插框、单板、芯片、风扇、散热器等电子设备的各组成部分。

v   Flotherm软件基本上可以分为前处理、求解器和后处理三个部分。前处理包括Project Manager、Drawing Board和Flogate。Project Manager用于项目管理、物性参数、网格参数、计算参数的设定等;Drawing Board提供了一个可视化的建立机柜、插框、单板、芯片几何 模型的界面和计算网格划分工具。通过在Project Manager和Drawing Board中的互动操作,就可以完成具体的建模工作。 Flogate是一个数据接口模块,它可以把单板的装配图文件(IDF 格式)导入Flotherm,直接完成单板的建模设计。 求解器是Flosolve模块,它可以完成模型的瞬态和稳态温度场和流场计算。后处理部分包括Visulation、Flomotion和Table,Visulation完成仿真计算结果的可视化显示;Flomotion除了也可以实现可视化显示外,还可以制作流场的动画显示;热分析模型的大量计算数据如某区域的平均温度、空气流量等可以通过Table模块查询。

 

热仿真技术

v 传统的热设计方法与仿真分析方法的比较

Ø    在操作流程上面的差异

     传统的热设计方法利用设计者的经验确定出设计方案,然后利用经验公式进行估算,在通过试验进行验证,并根据试验结果进行优化。

     仿真分析软件可以同时对多种设计方案的优劣进行分析比较,并能够确定出最佳的设计方案。如果软件使用者具有足够的热设计经验,则完全可以省略试验验证的环节。从而达到缩短设计周期的目的。

Ø    优缺点比较

热设计的发展趋势

v 电源模块的热设计发展趋势

 

Ø    一次电源模块的热设计发展趋势

随着电源模块功率密度的升高,热设计已逐渐成为瓶颈问题。传统的集中散热的方式(所有的功率管全部集中在一个散热器上)无法满足模块体积逐步减小的要求。分散式散热成为解决这一难题的主要技术。

Ø    二次电源模块热设计的发展趋势

 二次电源模块正朝着高效率、超轻、超薄、高功率密度的方向发展。以OPENFRAME结构为代表的新一代模块,如图17所示,通过电路技术上的改进,提高了模块的工作效率,降低了模块的热损耗,同时功率器件及PCB耐温等级的提高,使得模块可以省掉金属或陶瓷底板,进而省掉了笨重的散热器,有效的节省了系统的可见,同时提高了模块抗震动的能力。

热设计的发展趋势

热设计的发展趋势

v 分散式散热技术

Ø   基本理念

热设计的发展趋势

v 分散式散热技术

Ø   优势

    可以自由根据各部分的损耗大小来设计散热器,从而保证散热器的最佳化。

     散热器可以自由置于最有利的通风位置,从而提高散热器的散热效率。

     可以最大限度的发挥风扇的作用,提高了风扇的利用率。

     由于散热器分散,部分区域的功率管可以省掉导热绝缘膜。

     产品的功率密度可以达到很高。

Ø   劣势

    由于各部分散热器已达到最佳化,散热器抗热冲击能力会减弱,应引起特别关注。

热设计的发展趋势

v热管技术

Ø   什么叫热管?

        热管是一种具有高效导热性能的传热器件。它能够在热源与散热片间以较小的温差实现热传递,也可以在散热器基板表面实现等温以提高散热器的效率。

Ø   热管的发展史?

w      1942年前:简单的二相热虹吸管

       J. Perkins及他的孙子L. P. Perkins发明并改进了“Perkins tube”即热虹吸管——简单的重力热管。

w      1960~1970年:发明热管并成功应用于航天事业

   1942~1944年,R. S. Gaugler提出了现代热管的原理,但未实际应用;

   1963年,G. M. Grover再次提出了这一原理,并以热管命名;

   六十年代,成功应用于空间飞行和原子反应堆;

w      七十年代至今:热管在地面上各领域的应用蓬勃发展

 

      主要型式:金属丝网/金属粉末烧结/轴向槽道

 

 

热设计的发展趋势

v 热管技术

Ø   热管的工作原理之二

 

v 热管技术

Ø   热管的工作原理之三-重力热管工作原理

 

v 热管技术

Ø 热管的形式

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

热设计的发展趋势

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d0↓,l↑而增大。

 

 

热设计的发展趋势

   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

 

热设计的发展趋势

热量:

  即

热流密度:

 

所以

 

 

热设计的发展趋势

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术-热管的应用

热设计的发展趋势

v 热管技术

Ø   计算机CPU用热管散热器

热设计的发展趋势

v 热管技术

Ø    笔记本电脑用热管散热器及大功率IGBT用热管散热器

热设计的发展趋势

v        热管技术

Ø           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。

 

热设计的发展趋势

热设计的发展趋势

热设计的发展趋势

热设计的发展趋势

v 热管技术

Ø Phase plane

 

 

总结

v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 。

 

v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。

热传递的基本公式为:Φ=KA⊿T.

Φ:为热流量。W

K:总导热系数。W/(M2.℃)

A:传热面积。M2

                                   ⊿T:热流体与冷流体之间温度差。

在提高散热效率时,我们所能做到的是加大温差,如强迫还流等;或增大散热面积,或增大热导系数,见效热阻。

对于如图变压器的散热:

变压器的“黑面”是通过导热胶贴在外壳散热板的,其余个面暴露在密封壳的空气之中,我们知道对于对流核辐射来讲,前者必须有好的空气对流,后者必须有足够的温差。在一个密闭体内,几乎没有对流,同时因为变压器的温度与周围空气的温差较小,也不能有效的散热。所以变压器的有效散热,就只有“黑面”。

对于这样一个“黑面”,我们可以建立其散热模型。

首先,变压器的铁损通过磁芯河道热胶传递到外壳三热板,假如我们设磁芯热阻为:

RC,,磁芯到导热胶热阻为RCJ 导热胶到外壳散热器热阻为RJS导热胶热阻RS环境温度为T0.     

Tt =Φ/( RC+ RCJ + RJs+RS) +t0

变压器得铜损,通过磁芯散热出去,所以其散热通道增加了线圈到磁芯热阻RXC

Tt =Φ/(RXC+RC+ RCJ + RJs+RS) +t0

为了提高散热效率,我们要充分利用,没有散热的几个面,并且减小线圈散热的热阻。如图

在图中为了减小变压器的热阻,提高总的导热系数,我们要充分利用变压器的散热面,并且减小导热回路的热阻。

在图中,因为铝姓材于外壳之间图导热膏期间热阻非常小,在整个热阻回路中可以忽略不计,我们分析其散热。

假如,我们用的导热胶热阻与图一相等(正常情况下管封的热阻回比片状导热胶热阻小),至少我们具有一个面和图一具有相同的散热能力,也就是说,我们已经具备了一个与图一相同热阻的散热通道。我们在其余面所增加的散热通道将大大降低了变压器的散热热阻。在图中,变压器增加的散热面有:磁芯的另外两个平面和线圈散热面。

假设,磁芯侧面与导热胶热阻为:RCJ,导热胶与铝型材热阻为:RJL,铝型材到玩客散热器热阻忽略,则磁芯热阻为:RCJ+ RJL,由两个面则(RCJ+ RJL)/2,则由磁芯传出热能热阻为:

( RC+ RCJ + RJs+RS)∥(RC+RCJ+ RJL+RS)/2,如果忽略铝型材热阻则

( RC+ RCJ + RJs+RS)≈RC+RCJ+ RJL+RS),

( RC+ RCJ + RJs+RS)∥(RC+RCJ+ RJL+RS)/2≈( RC+ RCJ + RJs+RS)/3

线圈散热通过磁芯散热热阻与原来相同,其增加面;

假设,线圈到导热胶热阻Rxj ,则增加散热通道热阻为:

(Rxj+ RS + RJs

线圈散热热阻(RXC+RC+ RCJ + RJs+RS) ∥(Rxj+ RS + RJs ),实际上(Rxj+ RS + RJs )小于(RXC+RC+ RCJ + RJs+RS),所以说,线圈的散热能力至少提高一倍。

综上所述,利用导热胶灌封的方法,可以大大提高变压器的散热能力,保证变压器安全,可靠的工作。

 

 

 

 

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