換熱器原理與設(shè)計(jì)-課件-第五章-電子設(shè)備的自然冷卻設(shè)計(jì)

1、第五章第一講電子設(shè)備的自然冷卻設(shè)計(jì)自然冷卻包括傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射換熱。具有安全、可靠、價(jià)格便宜、維修量小等優(yōu)點(diǎn)，如滿足要求應(yīng)優(yōu)先選用。自然冷卻用印制板的選取 適用于電子設(shè)備的印制板的品種較多，為了提高其傳熱（導(dǎo)熱）性能，目前常用的有以下幾種散熱印制線路板。在印制線路板上敷有導(dǎo)熱金屬板的導(dǎo)熱板式散熱印制板在印制線路板上敷有金屬導(dǎo)熱條的導(dǎo)熱條式散熱印制板在印制線路板中間夾有導(dǎo)熱金屬芯的金屬夾芯式散熱印制板5.2印制板上電子元器件的熱安裝技術(shù) 安裝在印制板上的元器件的冷卻，主要依靠導(dǎo)熱提供一條從元器件到印制板及機(jī)箱側(cè)壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板的安裝形式如下圖所示。豎直放置、平行排列。印制板

2、的合理間距 對(duì)于對(duì)稱的等溫豎直平行平板，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩平板的最佳間距為：式中：P cp 比定壓熱容，kJ/(kg)； 空氣平均密度，kg/m3； g 重力加速度，m/s2； V 體積膨脹系數(shù)，-1； t 板與空氣的溫差，； 空氣的動(dòng)力粘度，Pas； 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m)。L板高度，米 其它情況的最佳間距值如下表所示。對(duì)于依靠自然通風(fēng)散熱的印制板，為提高它的散熱效果，應(yīng)考慮氣流流向的合理性。對(duì)于一般規(guī)格的印制板，豎直放置時(shí)的表面溫升較水平放置時(shí)小。豎直安裝的印制電路板，最小間距應(yīng)為19mm，以防止自然流動(dòng)的收縮和阻塞。上述間距下，在71的環(huán)境中，對(duì)于小型印制電路板上熱流密度為0.0155

3、W/cm2的組件，其表面溫度約為100（即溫升約為30）。自然對(duì)流冷卻印制電路板耗散功率的許用值為： 0.0155W/cm2 。5.2.2自然對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計(jì)算式第93頁(yè)表5-2機(jī)箱加裝散熱片5.2.3自然對(duì)流的換熱網(wǎng)絡(luò)5.2.4自然冷卻開式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)（開有通風(fēng)孔）5.2.5自然冷卻閉式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)5.5 電子設(shè)備機(jī)柜和機(jī)殼的設(shè)計(jì) 采用自然冷卻的電子設(shè)備外殼可作為氣流通道。下圖所示是電子設(shè)備自然散熱的路徑?？梢钥闯鰴C(jī)殼是接受設(shè)備內(nèi)部熱量，并將其散發(fā)到周圍環(huán)境中去的一個(gè)重要組成部分，故機(jī)殼結(jié)構(gòu)對(duì)電子設(shè)備的自然冷卻顯得格外重要。機(jī)殼表面的最大熱流密度不得超過0.039W/cm2。機(jī)柜表面溫

4、度不得高于周圍環(huán)境溫度（機(jī)房）10。外殼必須與底座和支架有良好的導(dǎo)熱連接。熱路中的大部分熱阻存在于接合交界面處。所有金屬間的接觸面必須清潔、光滑，并且接觸面積應(yīng)盡可能大，且應(yīng)有足夠的接觸壓力。鋁材鉚接界面處的熱阻與金屬厚度和鉚釘面積有關(guān)，其熱阻值為6.4525.8cm2/W。金屬厚度以0.250.5cm為宜。機(jī)殼開孔的大小應(yīng)與冷卻空氣進(jìn)、出流速相適應(yīng)，且壓降應(yīng)小于熱空氣的浮升壓力。進(jìn)氣孔的總面積可按下式計(jì)算：式中：A0 進(jìn)風(fēng)孔面積，cm2； 0 通風(fēng)孔應(yīng)散熱流量，W； H 自然冷卻設(shè)備機(jī)箱高度，cm； t =t2 t1 ； t2 設(shè)備內(nèi)部空氣溫度，； t1 設(shè)備外部周圍環(huán)境溫度。 通風(fēng)孔的布置

5、原則應(yīng)使進(jìn)、出風(fēng)孔盡量遠(yuǎn)離，進(jìn)風(fēng)孔應(yīng)開在機(jī)箱的下端接近底板處，出風(fēng)口則應(yīng)開在機(jī)箱側(cè)上端接近頂板處。通風(fēng)孔的形狀、大小可根據(jù)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)所、電磁兼容性及可靠性要求進(jìn)行選擇、布置。機(jī)箱（或機(jī)殼）內(nèi)、外表面涂漆，在靠近發(fā)熱元件的機(jī)殼頂部、底部或兩側(cè)開通風(fēng)孔等，均能降低內(nèi)部器件的溫度。第二講 電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)2.1 強(qiáng)迫空氣冷卻的熱計(jì)算2.2 通風(fēng)機(jī)2.3 系統(tǒng)壓力損失及計(jì)算2.4 強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.5 通風(fēng)管道的設(shè)計(jì)2.6 強(qiáng)迫空氣冷卻的機(jī)箱和機(jī)柜設(shè)計(jì)2.1 強(qiáng)迫空氣冷卻的熱計(jì)算強(qiáng)迫空氣冷卻換熱計(jì)算的難點(diǎn)在于固體壁面和空氣之間對(duì)流換熱系數(shù)的確定。對(duì)流換熱系數(shù)的大小與流體流動(dòng)的狀態(tài)（層流

6、或紊流）、流體的物性參數(shù)、換熱面的幾何形狀和位置等有關(guān)。判斷流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則是雷諾數(shù)Re。對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)Re2200時(shí)，流動(dòng)屬層流；當(dāng)Re104時(shí)，流動(dòng)屬紊流；中間值時(shí)流動(dòng)屬層流向紊流過渡的過渡狀態(tài)。一、環(huán)境的影響 環(huán)境通過對(duì)空氣物理特性的影響來(lái)改變強(qiáng)迫對(duì)流換熱過程?？諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)、粘度、比熱及密度等均隨環(huán)境條件而變化。 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)一般不受壓力的影響，只有當(dāng)壓力低于1360Pa時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨壓力降低而降低。導(dǎo)熱系數(shù)也隨溫度的降低而降低。 空氣的動(dòng)力粘度隨溫度的升高而增大，而不受壓力的影響。 干燥空氣的密度可由下式計(jì)算：式中： 空氣密度，kg/m3； t 溫度，； P1 使用大氣壓力，P

7、a。二、空氣吸收的熱流量和質(zhì)量流量空氣吸收的熱量可用下式計(jì)算：式中： 空氣吸收的熱流量，W； qm 空氣的質(zhì)量流量，kg/s； cp 定壓比熱，J/(kg)； t 空氣的溫升，?？諝獾馁|(zhì)量流量由下式計(jì)算：式中： qm 空氣的體積流量，m3/s； 空氣密度，kg/m3。三、對(duì)流換熱在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流體在管內(nèi)或槽內(nèi)流動(dòng) 對(duì)非圓形截面管道來(lái)說(shuō)，公式中所用的當(dāng)量直徑為：式中： A 管道橫截面積，m2； U 濕周長(zhǎng)度，m?？諝庖酝牧鳡顟B(tài)流經(jīng)管道掠過圓柱體或?qū)Ь€（表5-5，120頁(yè)） 流過球體平行于平面（或板）Re在400-1500的層流，帶散熱片的冷板和熱交換器的傳熱因子2.2 通風(fēng)機(jī) 通風(fēng)機(jī)可

8、分為離心式（下圖(a)）和軸流式下圖(b)兩類。 通風(fēng)機(jī)的選擇主要取決于下列因素：空氣流量、壓力大小、效率、流速、空氣管道系統(tǒng)、噪音及通風(fēng)機(jī)特性等。一、離心式風(fēng)機(jī) 離心式風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)壓較高，一般用于阻力較大發(fā)熱元器件或機(jī)柜的冷卻。 離心式風(fēng)機(jī)按葉輪的葉片形狀可分為前彎式、徑向式和后彎式三種，如上圖所示。 在給定的轉(zhuǎn)速和尺寸條件下，前彎式的風(fēng)壓最大，出口風(fēng)速高，相對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量小，但壓損大，風(fēng)機(jī)效率不高，在使用時(shí)應(yīng)防止電機(jī)過載。后彎式相反。 在設(shè)備較小而要求的風(fēng)壓比較大的情況下，應(yīng)采用前彎式通風(fēng)機(jī)。二、軸流式風(fēng)機(jī) 軸流式風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)是風(fēng)量大、風(fēng)壓小。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為螺旋槳式、圓筒式和導(dǎo)葉式

9、三種。其中螺旋槳式壓力最小，一般用于空氣循環(huán)裝置。圓筒式和導(dǎo)葉式用于中、低系統(tǒng)阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設(shè)備的冷卻。三、風(fēng)機(jī)性能主要性能參數(shù)：風(fēng)量、風(fēng)壓、功率和效率風(fēng)壓：全壓（揚(yáng)程, 動(dòng)壓+靜壓），動(dòng)壓（動(dòng)能）， 靜壓（相對(duì)壓力，皮托管全壓和靜壓）功率：風(fēng)量風(fēng)壓效率：風(fēng)機(jī)功率軸功率三、通風(fēng)機(jī)特性曲線 通風(fēng)機(jī)特性曲線是指通風(fēng)機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，靜壓、效率和功率隨風(fēng)量而變化的關(guān)系曲線。其中風(fēng)量與靜壓關(guān)系曲線最為常用。 上圖是前彎式離心式通風(fēng)機(jī)的特性曲線。特性曲線中存在一效率最高的點(diǎn)，當(dāng)通風(fēng)機(jī)工作在該點(diǎn)附近時(shí)，這就需要選擇最佳通風(fēng)機(jī)，以便滿足空氣流量和靜壓的要求。四、系統(tǒng)阻力特性與通風(fēng)

10、機(jī)工作點(diǎn)的確定 通風(fēng)機(jī)的總壓力是用來(lái)克服系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力的，并在出口處形成一定的速度頭。系統(tǒng)（或通風(fēng)管道）的阻力曲線是通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的靜壓與空氣流量的特性曲線，與流量的平方成正比。 右圖中，、三條曲線分別代表不同系統(tǒng)（風(fēng)道）的特性曲線。系統(tǒng)（阻力）特性曲線與通風(fēng)機(jī)的特性曲線的交點(diǎn)就是該通風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)。五、通風(fēng)機(jī)的選擇 選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)應(yīng)考慮的因素包括：風(fēng)量、風(fēng)壓（靜壓）、效率、空氣流速、系統(tǒng)（風(fēng)道）阻力特性、應(yīng)用環(huán)境條件、噪聲以及體積、重量等，其中風(fēng)量和風(fēng)壓是主要參數(shù)。 根據(jù)電子設(shè)備風(fēng)冷系統(tǒng)所需之風(fēng)量和風(fēng)壓及空間大小確定風(fēng)機(jī)的類型。 當(dāng)要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低的設(shè)備，盡量采用軸流式通風(fēng)機(jī)，反之，則

11、選用離心式通風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)的類型確定后，再根據(jù)工作點(diǎn)來(lái)選擇具體的型號(hào)和尺寸。 通風(fēng)機(jī)工作時(shí)的噪音應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。六、通風(fēng)機(jī)的串聯(lián)和并聯(lián)使用 當(dāng)所選通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量或風(fēng)壓不能滿足要求時(shí)，可考慮通風(fēng)機(jī)的串聯(lián)或并聯(lián)方式。通風(fēng)機(jī)的串聯(lián)使用 當(dāng)通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量能滿足要求，而風(fēng)壓不夠時(shí)，可采用兩只通風(fēng)機(jī)串聯(lián)的工作方式。 通風(fēng)機(jī)串聯(lián)后總風(fēng)量基本上是每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量（略有增加），總風(fēng)壓為相同風(fēng)量下兩臺(tái)通風(fēng)機(jī)風(fēng)壓相加。 因此當(dāng)風(fēng)道特性曲線比較陡時(shí)，即風(fēng)道阻力較大時(shí)，可采用串聯(lián)形式。 通風(fēng)機(jī)的并聯(lián)使用 通風(fēng)機(jī)并聯(lián)使用時(shí)，其風(fēng)壓比單個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓稍有提高，而總風(fēng)量是各通風(fēng)機(jī)風(fēng)量之和。 當(dāng)風(fēng)道特性曲線比較平坦，需增大風(fēng)量時(shí)，

12、可采用并聯(lián)系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)的合理安裝葉輪安裝位置對(duì)氣流的影響，第110頁(yè)圖5-16七、通風(fēng)機(jī)的噪聲 選擇電子設(shè)備冷卻用的通風(fēng)機(jī)時(shí)，噪聲是應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素之一。一般通風(fēng)機(jī)的葉尖若以高的線速度工作時(shí)，并且所產(chǎn)生的靜壓在500Pa以上，則通風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的噪聲將隨轉(zhuǎn)速的提高而增大。 對(duì)通風(fēng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)平衡和靜平衡設(shè)計(jì)，隔震和流線型設(shè)計(jì)等都可以降低噪聲。噪聲級(jí)可按下式計(jì)算：式中： Ln 噪聲級(jí)，dB； n1、 n2 轉(zhuǎn)速，s-1。2.3 系統(tǒng)壓力損失及計(jì)算 系統(tǒng)壓力損失（也稱壓降）包括兩部分： 沿程壓力損失。它是由流體流經(jīng)管道壁面時(shí)與壁面之間的摩擦引起，也稱為靜壓損失。 局部壓力損失。它是由流體進(jìn)、出口以及流經(jīng)彎頭

13、、截面突變、濾網(wǎng)等處引起的，也稱為動(dòng)壓損失。一、沿程壓力損失式中： pl 沿程壓力損失，Pa； v 空氣平均流速，m/s； f 沿程阻力系數(shù)； 空氣密度，kg/m3； l 管道長(zhǎng)度，m； de 當(dāng)量直徑，m。 對(duì)于光滑的管道，其沿程阻力系數(shù)f只是Re的函數(shù)，可用下列公式計(jì)算：a. 層流時(shí)：b. 紊流且Re105時(shí)：c. 紊流且105 Re3 106時(shí)： 對(duì)于粗糙管道，沿程阻力系數(shù)f是Re及管壁相對(duì)粗糙度的函數(shù)，可由下圖查得。 常用管道的絕對(duì)粗糙度(mm)如下表所示。二、管道局部壓力損失 當(dāng)流體的速度和方向發(fā)生變化時(shí)所引起的局部壓力損失由下式計(jì)算：式中： pc 局部壓力損失，Pa； 局部阻力損失

14、系數(shù)之和，其值如下各表所示； 空氣密度，kg/m3； v 空氣平均流速，m/s。三、壓力損失計(jì)算的基本類型已知流速、長(zhǎng)度、直徑、粘度及粗糙度求壓力損失。在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，這是最常見的問題。在這類問題中，流速是由所需要的冷卻量確定的；已知壓力損失、長(zhǎng)度、直徑、粘度及粗糙度求流量。在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般沒有這種情況，因?yàn)榱髁靠偸怯缮崃看_定的；已知壓力損失、流量、長(zhǎng)度、粘度及粗糙度求直徑。例如利用一臺(tái)給定的鼓風(fēng)機(jī)，這時(shí)管道尺寸將由允許的壓降來(lái)確定。2.4 強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟包括：1.根據(jù)散熱要求，確定冷卻空氣入口和出口的溫度（推薦低于70度）和壓力

15、；2.根據(jù)可靠性要求確定每個(gè)元器件的最高允許溫度（或溫升）3.根據(jù)電性能和空間位置以及冷卻功率的要求確定元器件的排列和布置方式；4.確定雷諾數(shù)；5.根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和雷諾數(shù)，計(jì)算空氣流過每個(gè)電子元器件或元器件組的質(zhì)量流量（或體積流量）；6.計(jì)算系統(tǒng)的總壓力損失及需要的冷卻功率。一、電子元器件的風(fēng)冷設(shè)計(jì) 大功率晶體管的外表面積不夠大，不能滿足直接強(qiáng)迫空氣冷卻，必須采用擴(kuò)展表面的散熱器。 大規(guī)模集成電路的功率密度比較大，可以采用直接強(qiáng)迫空氣冷卻。應(yīng)使其一個(gè)平面暴露在流速較高的風(fēng)道中進(jìn)行冷卻。 電阻器成組安裝時(shí)，它們之間的空隙應(yīng)盡可能地大。當(dāng)電阻器裝在一塊垂直板或底座上時(shí)，電阻器的軸線必須垂直。當(dāng)

16、電阻器軸線呈水平方向時(shí)，電阻器必須叉排，以提高其紊流程度和冷卻效果。 電子設(shè)備用的變壓器和電感器內(nèi)熱阻很大，因此采用強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，變壓器與散熱器之間應(yīng)具有低熱阻的傳熱路徑。二、穩(wěn)流器 強(qiáng)迫空氣冷卻時(shí)，就局部冷卻而言，紊流比層流的效果要好。 強(qiáng)迫空氣冷卻的設(shè)備應(yīng)保證紊流出現(xiàn)在靠近發(fā)熱器件的表面，其措施是適當(dāng)?shù)厥篃嵩聪嗷タ拷?，或者靠近管道壁使距離間隙縮小，或者加裝穩(wěn)流器以便增加其紊流程度。右圖(a)是在垂直于氣流方向上裝一個(gè)穩(wěn)流器，圖(b)是在熱源前放一橫排小棒的穩(wěn)流器。三、印制板組件的強(qiáng)迫空氣冷卻 當(dāng)不允許冷卻空氣和器件表面直接接觸時(shí)，可以把印制板組件背靠背形成一個(gè)空芯冷卻空氣通道進(jìn)行冷卻。如右圖所示。 空芯印制板風(fēng)冷設(shè)計(jì)的主要問題是密封。風(fēng)道類型 113頁(yè)1射流式5-192水平5-203變截面5-214隔板式5-222.5 通風(fēng)管道的設(shè)計(jì)盡量采用短而直風(fēng)道輸送空氣避免采用急劇拐彎和彎曲的風(fēng)