電子產(chǎn)品散熱設(shè)計概述.docx

YEALINK產(chǎn)品熱設(shè)計VCS項目散熱預(yù)研歐國彥2012-12-4熱設(shè)計、冷卻方式、散熱器、熱管技術(shù)電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計一、 為什么要進(jìn)行散熱設(shè)計在調(diào)試或維修電路的時候，我們常提到一個詞“*燒了”，這個*有時是電阻、有時是保險絲、有時是芯片，可能很少有人會追究這個詞的用法，為什么不是用“壞”而是用“燒”？其原因就是在機電產(chǎn)品中，熱失效是最常見的一種失效模式，電流過載，局部空間內(nèi)短時間內(nèi)通過較大的電流，會轉(zhuǎn)化成熱，熱*不易散掉，導(dǎo)致局部溫度快速升高，過高的溫度會燒毀導(dǎo)電銅皮、導(dǎo)線和器件本身。所以電失效的很大一部分是熱失效。高溫對電子產(chǎn)品的影響：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點焊縫開裂、焊點脫落。溫度對元器件的影響：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高溫會使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降， 一般變壓器、扼流圈的允許溫度要低于95C；溫度過高還會造成焊點合金結(jié)構(gòu)的變化IMC增厚，焊點變脆，機械強度降低；結(jié)溫的升高會使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導(dǎo)致集電極電流增加，又使結(jié)溫進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致元件失效。那么問一個問題，如果假設(shè)電流過載嚴(yán)重，但該部位散熱極好，能把溫升控制在很低的范圍內(nèi)，是不是器件就不會失效了呢？答案為“是”。由此可見，如果想把產(chǎn)品的可靠性做高，一方面使設(shè)備和零部件的耐高溫特性提高，能承受較大的熱應(yīng)力（因為環(huán)境溫度或過載等引起均可）；另一方面是加強散熱，使環(huán)境溫度和過載引起的熱量全部散掉，產(chǎn)品可靠性一樣可以提高。二、 散熱設(shè)計的目的控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環(huán)境條件下不超過標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ),并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個元器件的失效率相一致。三、 散熱設(shè)計的方法1、 冷卻方式的選擇我們機電設(shè)備常見的是散熱方式是散熱片和風(fēng)扇兩種散熱方式，有時散熱的程度不夠，有時又過度散熱了，那么何時應(yīng)該散熱，哪種方式散熱最合適呢？這可以依據(jù)熱流密度來評估，熱流密度=熱量 / 熱通道面積。 按照GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊的規(guī)定（如下圖1），根據(jù)可接受的溫升的要求和計算出的熱流密度，得出可接受的散熱方法。如溫升40（縱軸），熱流密度0.04W/cm2（橫軸），按下圖找到交叉點，落在自然冷卻區(qū)內(nèi)，得出自然對流和輻射即可滿足設(shè)計要求。大部分散熱設(shè)計適用于上面這個圖表，因為基本上散熱都是通過面散熱。但對于密封設(shè)備，則應(yīng)該用體積功率密度來估算，熱功率密度=熱量 / 體積。下圖（圖2）是溫升要求不超過40時，不同體積功率密度所對應(yīng)的散熱方式。比如某電源調(diào)整芯片，熱耗為0.01W，體積為0.125cm3，體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，查下圖得出金屬傳導(dǎo)冷卻可滿足要求按照上圖，可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導(dǎo)熱一強迫風(fēng)冷一液冷一蒸發(fā)冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導(dǎo)、輻射、自然對流等方法冷卻；0.122-0.43W/cm3強迫風(fēng)冷；0.43O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸發(fā)冷卻。注意這是溫升要求40時的推薦參考值，如果溫升要求低于40，就需要對散熱方式降額使用，0.122時就需要選擇強迫風(fēng)冷，如果要求溫升很低，甚至要選擇液冷或蒸發(fā)冷卻了。2、 散熱器的選擇這里面還應(yīng)注意一個問題，是不是強迫風(fēng)冷能滿足散熱要求，我們就可以隨便選擇風(fēng)扇轉(zhuǎn)速呢，當(dāng)然不是，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速與氣流流速有直接關(guān)系，這里又涉及一個新概念熱阻。熱阻=溫度差 / 熱耗（單位/W）熱阻越小則導(dǎo)熱性能越好，這個概念等同于電阻，兩端的溫度差類似于電壓，傳導(dǎo)的熱量類似于電流。風(fēng)道的熱阻涉及流體力學(xué)的一些計算，如果我們在熱設(shè)計方面要求不是很苛刻，可通過估算或?qū)嶒灥贸觯绻蠛芸量?，可以查閱GJB/Z27-92 電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊，里面有很多系數(shù)、假設(shè)條件的組合，三言兩語說不清楚，個別系數(shù)我也沒搞明白如何與現(xiàn)實的風(fēng)道設(shè)計結(jié)合，比如，風(fēng)道中有一束電纜、風(fēng)道的壁不是均勻的金屬板，而是有高低不平帶器件的電路板，對一些系數(shù)則只能估算了，最準(zhǔn)確的方式反而是實驗測量了。熱阻更多的是用于散熱器的選擇，一般廠家都能提供這個參數(shù)。舉例，芯片功耗20W，芯片表面不能超過85，最高環(huán)境溫度55，計算所需散熱器的熱阻R。計算：實際散熱器與芯片之間的熱阻近似為0.1/W，則(R+0.1)=(85-55) /20W，則R=1.4/W。依據(jù)這個數(shù)值選散熱器就可以了。這里面注意一個問題，我們在計算中默認(rèn)為熱耗芯片功率，對一般的芯片，我們都可以這樣估算，因為芯片中沒有驅(qū)動機構(gòu)，沒有其他的能量轉(zhuǎn)換機會，大部分是通過熱量轉(zhuǎn)化掉了。而對于電源轉(zhuǎn)換類芯片或模塊，則不可以這樣算，比如電源，它是一個能源輸出，它的輸入電量一部分轉(zhuǎn)化成了熱，另外很大部分轉(zhuǎn)化成電能輸出了，這時候就不能認(rèn)為熱耗功率。3、 散熱器的設(shè)計方法3.1、散熱器設(shè)計的步驟通常散熱器的設(shè)計分為三步 a:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計處輪廓圖。 b:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。c:進(jìn)行校核計算。3.2、 自然冷卻散熱器的設(shè)計方法3.2.1、考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。3.2.2、自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。3.2.3、自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強化輻射換熱。3.2.4、由于自然對流達(dá)到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時熱負(fù)荷的沖擊，建議大于5mm以上。3.3、 強迫冷卻散熱器的設(shè)計方法3.3.1、 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。3.3.2、增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。3.3.3、 采用針狀齒的設(shè)計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。3.3.4、 當(dāng)風(fēng)速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。 3.4、 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法 3.5、 在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法 3.6、 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的熱傳遞效率比較的大小的方法 3.7、 散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法3.7.1、相似準(zhǔn)則數(shù)的定義3.7.2、 相似準(zhǔn)則數(shù)的應(yīng)用3.8、散熱器的基本的優(yōu)化方法3.9、不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法3.10、優(yōu)化散熱器齒間距的經(jīng)驗公式及評估風(fēng)速變化對熱阻的影響的經(jīng)驗公式3.11、輻射換熱的考慮原則如果物體表面的溫度低于50，可忽略顏色對輻射換熱的影響。因為此時輻射波長相當(dāng)長，處于不可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個良好的發(fā)射體也是一個良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無關(guān)。對于強迫風(fēng)冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻(xiàn)。如果物體表面的溫度低于50，可不考慮輻射換熱的影響。輻射換熱面積計算時，如表面積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。即沿表面各部分繃緊繩子求得的就是這一投影面積，如下圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。 4、 風(fēng)路的設(shè)計方法4.1、自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計4.1.1、設(shè)計要點： 機柜的后門(面板)不須開通風(fēng)口。 底部或側(cè)面不能漏風(fēng)。 應(yīng)保證模塊后端與機柜后面門之間有足夠的空間。 機柜上部的監(jiān)控及配電不能阻塞風(fēng)道，應(yīng)保證上下具有大致相等的空間。 對散熱器采用直齒的結(jié)構(gòu),模塊放在機柜機架上后,應(yīng)保證散熱器垂直放置,即齒槽應(yīng)垂直于水平面。對散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu),除每個模塊機箱前面板應(yīng)開通風(fēng)口外,在機柜的前面板也應(yīng)開通風(fēng)口。4.1.2、典型的自然冷機柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式4.2、強迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計4.2.1、設(shè)計要點： 如果發(fā)熱分布均勻， 元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個發(fā)熱源. 如果發(fā)熱分布不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應(yīng)稀疏排列，而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件布局應(yīng)稍密些，或加導(dǎo)流條，以使風(fēng)能有效的流到關(guān)鍵發(fā)熱器件。 如果風(fēng)扇同時冷卻散熱器及模塊內(nèi)部的其它發(fā)熱器件，應(yīng)在模塊內(nèi)部采用阻流方法，使大部分的風(fēng)量流入散熱器。 進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。 風(fēng)道的設(shè)計原則 風(fēng)道盡可能短，縮短管道長度可以降低風(fēng)道阻力； 盡可能采用直的錐形風(fēng)道，直管加工容易，局部阻力?。?風(fēng)道的截面尺寸和出口形狀，風(fēng)道的截面尺寸最好和風(fēng)扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長方形；4.2.2、電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式4.2.3、電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式5、 熱設(shè)計的思路以上部分是定量設(shè)計部分的內(nèi)容，在有了一個定量的設(shè)計指導(dǎo)后，也有一些具體的工程技巧來幫助實現(xiàn)理論計算結(jié)果的要求。一般的熱設(shè)計思路有三個措施：降耗、導(dǎo)熱、布局。5.1、降耗降耗是不讓熱量產(chǎn)生；導(dǎo)熱是把熱量導(dǎo)走不產(chǎn)生影響；布局是熱也沒散掉但通過措施隔離熱敏感器件；有點類似于電磁兼容方面針對發(fā)射源、傳播路徑、敏感設(shè)備的三個措施。降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設(shè)計方案是兩個主要途徑，低功耗的方案需要結(jié)合具體的設(shè)計進(jìn)行分析，不予贅述。器件選型時盡量選用發(fā)熱小的元器件，如片狀電阻、線繞電阻(少用碳膜電阻)；獨石電容、鉭電容(少用紙介電容)；MOS、CMOS電路(少用鍺管)；指示燈采用發(fā)光二極管或液晶屏(少用白熾燈)，表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外，對一些溫度敏感的特型元件進(jìn)行溫度補償與控制也是解決問題的辦法之一，尤其是放大電路的電容電阻等定量測量關(guān)鍵器件。降額是最需要考慮的降耗方式，假設(shè)一根細(xì)導(dǎo)線，標(biāo)稱能通過10A的電流，電流在其上產(chǎn)生的熱量就較多，把導(dǎo)線加粗，增大余量，標(biāo)稱通過20A的電流，則同樣都是通過10A電流時，因為內(nèi)阻產(chǎn)生的熱損耗就會減小，熱量就小。而且因為降額，在環(huán)境溫度升高時，器件性能下降情況下，但因為有余量，即使性能下降，也能滿足要求，這是降額對于增強可靠性的另一個作用。5.2、導(dǎo)熱導(dǎo)熱的設(shè)計規(guī)范比較多，挑一些比較常見的羅列具體如下：A、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口之間的通風(fēng)路徑須經(jīng)過整個散熱通道，一般進(jìn)風(fēng)口在機箱下側(cè)方角上，出風(fēng)口在機箱上方與其最遠(yuǎn)離的對稱角上；B、避免將通風(fēng)孔及排風(fēng)孔開在機箱頂部朝上或面板上；C、為防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道的橫截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積之和；D、對靠近熱源的熱敏元件，采用物理隔離法或絕熱法進(jìn)行熱屏蔽。熱屏蔽材料有：石棉板、硅橡膠、泡沫塑料、環(huán)氧玻璃纖維板，也可用金屬板和澆滲金屬膜的陶瓷；E、將散熱1w的零件安裝在機座上，利用底板做為該器件的散熱器，前提是機座為金屬導(dǎo)熱材料；F、熱管安裝在熱源上方且管與水平面夾角須30度；G、PCB用多層板結(jié)構(gòu)（對EMC也有非常非常大的好處），使電源線或地線在電路板的最上層或最下層H、熱源器件專門設(shè)計在一個印制板上，并密封、隔離、接地和進(jìn)行散熱處理；I、散熱裝置(熱槽、散熱片、風(fēng)扇)用措施減少熱阻：a、擴大輻射面積，提高發(fā)熱體黑度；b、提高接觸表面的加工精度，加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)熱材料；c、散熱器葉片要垂直印制板；d、大熱源器件散熱裝置直接裝在機殼上；J、密封電子設(shè)備內(nèi)外均涂黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩內(nèi)面的輻射能力要強（涂黑），外面光滑（不影響熱敏器件），通過熱傳導(dǎo)散熱；K、密封電子設(shè)備機殼內(nèi)外有肋片，以增大對流和輻射面積；L、不重復(fù)使用冷卻空氣；M、為了提高主要發(fā)熱元件的換熱效率、可將元件裝入與其外形相似的風(fēng)道內(nèi)；N、抽鼓風(fēng)冷卻方式的選擇O、風(fēng)機的選擇P、被散熱器件與散熱器之間充填導(dǎo)熱膏(脂)，以減小接觸熱阻；Q、被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸，接觸表面光滑、平整，接觸面粗糙度Ra6.3m；R、輻射是真空中傳熱的唯一方法a、確保熱源具有高的輻射系數(shù)，如果處于嵌埋狀態(tài)，利用金屬傳熱器傳至冷卻裝置上；b、增加輻射黑度；c、增加輻射面積s；d、輻射體對于吸收體要有良好的視角，即角系數(shù)要大；e、不希望吸收熱量的零部件，壁光滑易于反射熱。S、機殼表面溫度不高于環(huán)境溫度10；T、液體冷卻設(shè)計注意事項U、半導(dǎo)體致冷適用于V、變壓器和電感器熱設(shè)計檢查項目W、減小強迫對流熱阻的措施X、降低接觸熱阻的措施5.3、布局A、元器件布局減小熱阻的措施：a、元器件安裝在最佳自然散熱的位置上；b、元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無絕熱或隔熱物；c、發(fā)熱元件分散安裝；d、元器件在印制板上豎立排放。B、元器件排放減少熱影響：a、有通風(fēng)口的機箱內(nèi)部，電路安裝應(yīng)服從空氣流動方向：進(jìn)風(fēng)口放大電路邏輯電路敏感電路集成電路小功率電阻電路有發(fā)熱元件電路出風(fēng)口，構(gòu)成良好散熱通道；b、發(fā)熱元器件要在機箱上方，熱敏感元器件在機箱下方，利用機箱金屬殼體作散熱裝置。C、合理布局準(zhǔn)則：a、將發(fā)熱量大的元件安裝在條件好的地方，如靠近通風(fēng)孔；b、將熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風(fēng)向平行，利于熱對流。c、在自然對流中，熱流通道盡可能短，橫截面積應(yīng)盡量大；d、冷卻氣流流速不大時，元件按叉排方式排列，提高氣流紊流程度、增加散熱效果；e、發(fā)熱元件不安裝在機殼上時，與機殼之間的距離應(yīng)3540cm。D、冷卻內(nèi)部部件的空氣進(jìn)口須加過濾裝置，且不必拆開機殼即可更換或清洗；E、設(shè)計上避免器件工作熱環(huán)境的穩(wěn)定性，以減輕熱循環(huán)與沖擊而引起的溫度應(yīng)力變化。溫度變化率不超過1/min，溫度變化范圍不超過20，此指標(biāo)要求可根據(jù)產(chǎn)品不同由廠家自行調(diào)整；F、元器件的冷卻劑及冷卻方法應(yīng)與所選冷卻系統(tǒng)及元件相適應(yīng)，不會因此產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電解腐蝕；G、冷卻系統(tǒng)的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%一6%；H、冷卻時，氣流中含有水分，溫差過大，會產(chǎn)生凝露或附著，防止水份及其它污染物等導(dǎo)致電氣短路、電氣間隙減小或發(fā)生腐蝕。措施：a、冷卻前后溫差不要過大；b、溫差過大會產(chǎn)生凝露的部位，水分不會造成堵塞或積水；c、如果有積水，積水部位的材料不會發(fā)生腐蝕；d、對裸露的導(dǎo)電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施；上面對降耗、導(dǎo)熱、布局的三類措施作了簡要的羅列，在我們設(shè)計一個系統(tǒng)時，也要有一些系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行評價和作為設(shè)計目標(biāo)，比如電子設(shè)備的進(jìn)口空氣與出口空氣溫差應(yīng)14、系統(tǒng)總功耗0.3時，冷熱的自然對流邊界層不會相互干擾，也不會出現(xiàn)環(huán)流，可按大空間自然對流換熱計算方法分別計算冷熱的自然對流換熱； (3) 冷熱壁溫差及厚度均較小，以厚度為定型尺寸的Gr=(Bgt 3)/32000時，通過夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過程計算。 水平夾層的自然對流換熱問題分為三種情況： (1) 熱面朝上，冷熱面之間無流動發(fā)生，按導(dǎo)熱計算； (2) 熱面朝下，對氣體Gr.Pr50則可忽略入口效應(yīng)，實際上多屬于此類情況。 管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)則式： Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式： twtf Nu=0.023Re0.8 Pr0.4. twtf Nu=0.023Re0.8 Pr0.31.3、 流體動力學(xué)基礎(chǔ)1.3.1、流量與斷面平均流速 流量：單位時間內(nèi)流過過流斷面的流體數(shù)量。如數(shù)量以體積衡量稱為體積流量Q；單位為m3/s(CFM)；如數(shù)量用重量衡量稱為重量流量G，單位為Kg/s。二者的關(guān)系為： G=Q 斷面平均流速：由于流體的粘性，過流斷面上各點的流速分布不均勻，根據(jù)流量相等原則所確定的均勻流速稱為斷面平均流速。單位m/s(CFM) VQ/A1.3.2、濕周與水力半徑 濕周：過流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長度。用x表示，單位m。 水力半徑：總流過過流斷面面積A與濕周x之比稱為水力半徑，應(yīng)符號R表示，單位M。 1.3.3、恒定流連續(xù)性方程 對不可壓縮流體：V1A1=V2A2. 對可壓縮流體 ： 1V1A1=1V2A21.3.4、恒定流能量方程 對理想流體：Zp/+v2/2g=常數(shù) 實際流體:由于粘性作為會引起流動阻力，流體阻力與流體流動方向相反作負(fù)功，使流體的總能量不斷衰減，每個斷面的Zp/y+v2/2g常數(shù)，假設(shè)流體從斷面1到斷面2的能量損失為hw，則元流的能量方程式為： Z1p1/+v12/2gZ2p2/+v22/2ghw 1.3.5、流體流動的阻力:由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這個阻力稱為流動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。 沿程阻力：在邊界沿程不變的區(qū)域，流體沿全部流程的摩檫阻力。 局部阻力：在邊界急劇變化的區(qū)域，如斷面突然擴大或突然縮小、彎頭等局部位置，是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動阻力。1.3.6、層流、紊流與雷諾數(shù) 層流：流體質(zhì)點互不混雜，有規(guī)則的層流運動。 Re=Vde/2300 層流 紊流：流體質(zhì)點相互混雜，無規(guī)則的紊流運動。 顯然層流狀態(tài)下只存在粘性引起的摩檫阻力，而紊流狀態(tài)下除摩檫阻力外還存在由于質(zhì)點相互碰撞、混雜所造成的慣性阻力，因此紊流的阻力較層流阻力大的多。 Re=Vde/2300 紊流1.3.7、管內(nèi)層流沿程阻力計算(達(dá)西公式) hf=(L/de)(V2/2) 沿程阻力系數(shù)，64/Re1.3.8、管內(nèi)紊流沿程阻力計算 hf=(L/de)(V2/2) f(Re，/d)，即紊流時沿程阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與相對粗糟度有關(guān)。 尼古拉茲采用人工粗糟管進(jìn)行試驗得出了沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗公式： 紊流光滑區(qū)：4000Re105, 采用布拉修斯公式計算： 0.3164/Re 0.25 1.3.9、非園管道沿程阻力的計算 引入當(dāng)量水力半徑后所有園管的計算方法與公式均可適用非園管，只需把園管直徑換成當(dāng)量水力直徑。 de=4A/x1.3.10、局部阻力 hjV2/2 局部阻力系數(shù) 突然擴大： 按小面積流速計算的局部阻力系數(shù)：1(1-A1/A2) 按大面積流速計算的局部阻力系數(shù)：2(1-A2/A1) 突然縮小： 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗值。 2、機箱的熱設(shè)計計算 密封機箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T 對通風(fēng)機箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T+1000uAT 對強迫通風(fēng)機箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t 1.25+4Tm3T+ 1000QfT 案例有一電子設(shè)備其總功耗為55W，其外形尺寸長、寬、高分別為400mm、300mm和250mm，外殼外表面的黑度為=0.96，外表面的溫度為35，周圍環(huán)境溫度為25，設(shè)備內(nèi)部的空氣允許溫度為40，設(shè)備的四個側(cè)面及頂面參與散熱，試進(jìn)行自然冷卻設(shè)計計算。 解: 密封機箱的最大散熱量 QT =1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)t1.25+4Tm3F輻射t 1.86(1.40.25+0.40.34/3)10 1.25+45.6710- 80.96 (0.4 0.3+1.40.25)308310 =16.87+29.9=46.78WQ=55W 顯然，密封機箱不能夠滿足散熱要求，需開通風(fēng)口。 通風(fēng)機箱的通風(fēng)面積計算 QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)t1.25+4Tm3F輻射t+1000uSint 551.86(1.40.25+0.40.34/3)10 1.25+45.6710-80.96(0.4 0.3+1.40.25)30831010000.1Sin10 Sin=82.2cm 3、自然冷卻時進(jìn)風(fēng)口面積的計算在機柜的前面板上開各種形式的通風(fēng)孔或百葉窗，以增加空氣對流，進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計算： Sin=Q/(7.410-5 Ht 1.5) s-通風(fēng)口面積的大小，cm2 Q-機柜內(nèi)總的散熱量，W H-機柜的高度，cm，約模塊高度的1.5-1.8倍， t=t2-t1內(nèi)部空氣t2與外部空氣溫度 t1 之差 ， 出風(fēng)口面積為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5-2倍4、強迫風(fēng)冷出風(fēng)口面積的計算 模塊 有風(fēng)扇端的通風(fēng)面積: Sfan=0.785(in2hub2) 無風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=(1.1-1.5) Sfan 系統(tǒng) 在后面板(后門)上與模塊層對應(yīng)的位置開通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為： S(1.5-2.0)(NS模塊) N-每層模塊的總數(shù) S模塊-每一個模塊的進(jìn)風(fēng)面積 案例 鐵道信號電源機柜模塊及系統(tǒng)均為自然冷卻，每層模塊的散熱量為360W，模塊的高度為7U，進(jìn)出口溫差按20計算，機柜實際寬度為680mm，試計算每層進(jìn)出風(fēng)口的面積？ H按2倍模塊的高度計算，即 H=27U=14U 進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計算： Sin=Q/(7.410-5Ht1.5) =360/(7.410-514 4.44201.5)=875 cm2 進(jìn)風(fēng)口高度h 機柜的寬度按B=680mm計，則進(jìn)風(fēng)口的高度為： H=Sin/B=875/68=128.7mm b 出風(fēng)口面積Sout Sout=(1.5-2.0)Sin=2875=1750 cm25、實際冷卻風(fēng)量的計算方法q=Q/(0.335T) q-實際所需的風(fēng)量，M3/h Q-散熱量，W T- 空氣的溫升，一般為1015。 確定風(fēng)扇的型號經(jīng)驗公式： 按照1.5-2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量： q=(1.5-2)q 按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號。案例10K UPS主功率管部分的實際總損耗為800W，空氣溫升按15考慮，請選擇合適的風(fēng)扇。 實際所須風(fēng)量為： q=Q/(0.335t)=800/(0.33515)=159.2m3/h 按照2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量： q=2q=2159.2=318.4m3/h 下表風(fēng)扇為可選型號 6、型材散熱器的計算 散熱器的熱阻 散熱器的熱阻是從大的方面包括三個部分。 RSA=R對+R導(dǎo)+ R輻 R對=1/（hc F1） F1-對流換熱面積(m), hc 對流換熱系數(shù)(w/m2.k) R輻-輻射換熱熱阻 ，對強迫風(fēng)冷可忽略不計 對自然冷卻 R輻1/(4Tm3) R導(dǎo)R 基板R肋導(dǎo) /(F2)+（(1/）-1)R對流 -導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h. - 散熱器基板厚度(m) - 肋效率系數(shù) F2-基板的導(dǎo)熱面積(m) F2=0.785*(d+)2 d- 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m) 對流換熱系數(shù)的計算 自然對流 垂直表面 hcs=1.414(t/L)0.25 ，w/m.k 式中: t-散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升， L-散熱表面的特征尺寸，取散熱表面的高，m 水平表面，熱表面朝上 hct=1.322(t/L)0.25 ，w/m.k 式中: t-散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升， L-散熱表面的特征尺寸，取L2(長寬)/(長寬)，m 水平表面，熱表面朝下 hcb=0.661(t/L)0.25 ，w/m.k 式中: t-散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升， L-散熱表面的特征尺寸，取L2(長寬)/(長寬)，m 強迫對流 層流 Ref105 hc(1.1-1.4) 空氣 0.032Ref 0.8/L 肋片效率 對直齒肋： =th(mb)/(mb) m=(2 hc/0) 0：肋片根部厚度(m) b. 肋高(m) 散熱器的流阻計算 散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失 Phf+hj =fL/deV22/2+V22/2 f -沿程阻力系數(shù) L-流向長度(m) de-當(dāng)量水利直徑(m)，de=4A流通/濕周長 V-斷面流速(m/s) 沿程阻力系數(shù)計算f 層流區(qū)：Re=Vd/2300 f=64/Re 紊統(tǒng)光滑區(qū) 4000Re105 f=0.3164/Re0.25 -運動粘度系數(shù)（m2/s），從文獻(xiàn)中查找 局面阻力系數(shù) 突然擴大 按小面積流速計算的局部阻力系數(shù)：1(1-A1A2) 按大面積流速計算的局部阻力系數(shù)： 2(1-A2/A1) 突然縮小 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗值。 【案例】散熱器DXC-616(天津鋁合金廠編號)，截面圖略，散熱器的截面積為77.78cm2，周長為2.302m，單位長度的重量為21KG/m。風(fēng)扇采用PAPST 4656Z ，風(fēng)扇功率19W，最大風(fēng)量為160m3/h，壓頭為70Pa。 風(fēng)道阻力曲線的計算 入口面積：Fin=0.785D2 =0.7850.1192=0.01116m2 流通面積：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.33810-3m2 水力直徑： de4Ff/x=43.33810-3/2.302=5.810-3m 由于風(fēng)速較低，一般最大不會超過6m/s，雷諾數(shù)2300，沿程阻力系數(shù)按下式計算：=64/Re64 /Vde 沿程阻力按下式計算： hf=(L/de)(V2/2)=(64 /Vde)(L/de)(V2/2) =(6416.9610-60.24/(V0.00582)(V2/2) =(8.07/V)(V2/2) 局部阻力按下式計算： hjV2/2 對于突然縮小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得0.38 總阻力損失 H=hf+ hj=(0.38+8.07/V )(V2/2) 確定風(fēng)扇的工作點 10KVA UPS 的選擇風(fēng)扇為PAPST 4656Z，我們把風(fēng)道曲線與風(fēng)扇的曲線進(jìn)行疊加，其交點即為風(fēng)扇的工作點，給工作點對應(yīng)的風(fēng)速為5m/s，壓力為35Pa. 散熱器的校核計算 雷諾數(shù) Ref=VL/=50.24/16.9610-6=5.6604104 努謝爾特數(shù)： Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604104)0.5=157 對流換熱系數(shù)：hc=1.4Nuf/L=21.7w/m.k m=(2 hc/)0.5=9.82 ml=9.820.03=0.295，查得：0.96 該散熱器的最大散熱量為（散熱器臺面溫升按最大40考慮)： QhcFt =460.4W 計算結(jié)果表明，散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。 7、冷板的計算方法 傳熱計算 確定空氣流過冷板后的溫升：t=Q/qmCp 確定定性溫度 tf=(2ts+t1+t2)/4， 冷板臺面溫度 ts為假定值 設(shè)定冷板的寬度為b，則通道的橫截面積為Ac ，Ac=bAc0 確定定性溫度下的物性參數(shù)(、Cp、Pr)。流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù) G=qm/Af Re=deG/ 根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)， Re105, 湍流 根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計算考爾本數(shù)J Re105,湍流 J=0.023/Re 0.2 也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z 27-92 圖1218查得 計算冷板的換熱系數(shù)： h= JGCpPr2/3 計算肋片的效率 m=(2h/)0.5，f=th(ml)/ml（也可以根據(jù)ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率)計算冷板的總效率：忽略蓋板及底版的效率，總效率為： AAt+ArAb， 01Ar(1-f)/A計算傳熱單元數(shù) NTUh0A/qmCp 計算冷板散熱器的臺面溫度 ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1) 流體流動阻力計算 計算流通面積與冷板橫截面積之比 =Af/Ac 查空氣進(jìn)入冷板時入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re及從GJB/Z 27-92 圖1216及圖1216查得 查摩擦系數(shù)f=f(Re,)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z 27-92 圖1218查得計算流動阻力 PG2(Kc+1-2)+2(2/1-1)+f 1A/(Afm)-(1-2-Ke)1/2/(21) 判斷準(zhǔn)則 確定是否滿足tsts，如果不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。 確定是否滿足PP，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇【案例】10KVA UPS 冷板散熱器，器件的損耗為870.5W，要求冷板散熱器臺面溫升小于30(在40的環(huán)境溫度下)。 冷板散熱器的截面圖略 梯形小通道面積：Ai=(3.8+2.6)9.5/2=30.4mm2 每排有29個梯形小通道，共22排，n=2922=638個 基板厚度為：9mm 總的流通面積 Af =30.42922=0.0193952 m2 冷板的橫截面積 Ac=1201202=0.0288 m2 水力半徑：de=4Afi/=430.4/(29.5+3.8+2.6)=4.787mm確定風(fēng)扇的工作點 Re=de G/=deqm/Af 在40空氣的物性參數(shù)為： 19.110-6kg/m.s, 1.12kg/m3 Re=(4.78710-31.120.30483 qm1/(6019.110-60.0193952) =6.831 qm1(qm1的單位為：CFM) =Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673先忽略空氣密度的變化,不同流量的流阻計算如下表所示:我們把兩個NMB4715的風(fēng)扇流量相加，靜壓不變，得出兩個風(fēng)扇并聯(lián)后的靜壓曲線，再把上表的數(shù)據(jù)繪制成風(fēng)道曲線并與風(fēng)扇靜壓曲線進(jìn)行畫在同一張圖上，其交點即為風(fēng)扇的工作點，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點對應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s。空氣流過冷板后的溫升 空氣口溫度為40 ，1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg. =19.110-6kg/m.s， Pr=0.699 質(zhì)量流量 qm=0.0802311.12=0.08986kg/s t= Q/qmCp=870.5/0.089861005.7=9.63 定性溫度： tf=(2ts+t1+t2)= (280+40+49.63)/4=62.4 按定性溫度查物性得： 1.06kg/m3，Cp=1005.7J/kg. =20.110-6kg/m.s，Pr=0.696 換熱系數(shù) 質(zhì)量流速 G=qm/Af =4.141.12=4.64kg/m2.s 雷諾數(shù) Re=deG/=4.78710-34.64/(20.110-6)=1105.1 層流 J=6/Re 0.98=6/1105.10.98=6.2510-3 h= JGC