熱設(shè)計(jì)的基本方法和定律

2022/12/281產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法2介紹為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)？高溫對(duì)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(diǎn)焊縫開(kāi)裂、焊點(diǎn)脫落。溫度對(duì)元器件的影響：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會(huì)降低電容器的使用壽命；高溫會(huì)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(guò)高還會(huì)造成焊點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)的變化—IMC增厚，焊點(diǎn)變脆，機(jī)械強(qiáng)度降低；結(jié)溫的升高會(huì)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。

3介紹熱設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)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(gè)元器件的失效率相一致。在本次講座中將學(xué)到那些內(nèi)容風(fēng)路的布局方法、產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法、風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法、海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策、熱仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

4概述風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法

：通過(guò)典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法

：通過(guò)實(shí)例分析，了解散熱器的校核計(jì)算方法、風(fēng)量的計(jì)算方法、通風(fēng)口的大小的計(jì)算方法。風(fēng)扇的基本定律及噪音的評(píng)估方法：了解風(fēng)扇的基本定律及應(yīng)用；了解噪音的評(píng)估方法。海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)的影響及解決對(duì)策：了解海拔高度對(duì)風(fēng)扇性能的影響、海拔高度對(duì)散熱器及元器件的影響，了解在熱設(shè)計(jì)如何考慮海拔高度對(duì)熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的影響。熱仿真技術(shù)：了解熱仿真的目的、要求，常用熱仿真軟件介紹。熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)：了解最新散熱技術(shù)、了解新材料。5風(fēng)路設(shè)計(jì)方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)機(jī)柜的后門(面板)不須開(kāi)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(jī)柜后面門之間有足夠的空間。機(jī)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(duì)散熱器采用直齒的結(jié)構(gòu),模塊放在機(jī)柜機(jī)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(duì)散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu),除每個(gè)模塊機(jī)箱前面板應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口外,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開(kāi)通風(fēng)口。6風(fēng)路設(shè)計(jì)方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)案例7風(fēng)路設(shè)計(jì)方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式8風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(guò)每一個(gè)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(shí)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(jì)原則：一方面盡量使其對(duì)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(jì)原則風(fēng)道盡可能短，縮短管道長(zhǎng)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(zhǎng)方形；9風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu)10風(fēng)路設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式11風(fēng)路設(shè)計(jì)方法法強(qiáng)迫冷卻的的風(fēng)路設(shè)計(jì)計(jì)電源系統(tǒng)典典型的風(fēng)道道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式12熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論自然對(duì)流換換熱大空間的自自然對(duì)流換換熱Nu=C(Gr.Pr)n.定性溫度：：tm=(tf+tw)/2定型尺寸按按及指數(shù)按按下表選取取13熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論自然對(duì)流換換熱有限空間的的自然對(duì)流流換熱垂直封閉夾夾層的自然然對(duì)流換熱熱問(wèn)題分為為三種情況況：(1)在夾層內(nèi)冷冷熱壁的兩兩股流道邊邊界層能夠夠相互結(jié)合合，形成環(huán)環(huán)流；(2)夾層厚度δ與高度之比比δ/h>0.3時(shí)，冷熱的的自然對(duì)流流邊界層不不會(huì)相互干干擾，也不不會(huì)出現(xiàn)環(huán)環(huán)流，可按按大空間自自然對(duì)流換換熱計(jì)算方方法分別計(jì)計(jì)算冷熱的的自然對(duì)流流換熱；(3)冷熱壁溫差差及厚度均均較小，以以厚度為定定型尺寸的的Gr=(Bg△tδ3)/υ3<2000時(shí)，通過(guò)夾夾層的熱量量可按純導(dǎo)導(dǎo)熱過(guò)程計(jì)計(jì)算。14熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論自然對(duì)流換換熱有限空間的的自然對(duì)流流換熱水平夾層的的自然對(duì)流流換熱問(wèn)題題分為三種種情況：(1)熱面朝上，，冷熱面之之間無(wú)流動(dòng)動(dòng)發(fā)生，按按導(dǎo)熱計(jì)算算；(2)熱面朝下，，對(duì)氣體Gr.Pr<1700,按導(dǎo)熱計(jì)算算；(3)有限空間的的自然對(duì)流流換熱方程程式：Nu=C(Gr.Pr)m(δ/h)n定型尺寸為為厚度δ，定性溫度度為冷熱壁壁面的平均均溫度Tm=(tw1+tw2)15熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論流體受迫流流動(dòng)換熱管內(nèi)受迫流流動(dòng)換熱管內(nèi)受迫流流動(dòng)的特征征表現(xiàn)為：：流體流速速、管子入入口段及溫溫度場(chǎng)等因因素對(duì)換熱熱的影響。。入口段：流體從進(jìn)入入管口開(kāi)始始需經(jīng)歷一一段距離后后管兩側(cè)的的邊界層才才能夠在管管中心匯合合，這時(shí)管管斷面流速速分布及流流動(dòng)狀態(tài)才才達(dá)到定型型。這段距距離稱為入入口段。入口段管管內(nèi)流動(dòng)換換熱系數(shù)是是不穩(wěn)定的的，所以計(jì)計(jì)算平均對(duì)對(duì)流換熱系系數(shù)應(yīng)對(duì)入入口段進(jìn)行行修正。在在紊流時(shí)，，如果管長(zhǎng)長(zhǎng)與管內(nèi)徑徑之比L/d>50則可忽略入入口效應(yīng)，，實(shí)際上多多屬于此類類情況。管內(nèi)受迫層層流換熱準(zhǔn)準(zhǔn)則式：Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25管內(nèi)受迫紊紊流換熱準(zhǔn)準(zhǔn)則式：tw>tfNu=0.023Re0.8Pr0.4.tw<tfNu=0.023Re0.8Pr0.316熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)學(xué)基礎(chǔ)流量與斷面面平均流速速流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間間內(nèi)流過(guò)過(guò)過(guò)流斷面的的流體數(shù)量量。如數(shù)量量以體積衡衡量稱為體體積流量Q；單位為m3/s(CFM)；如數(shù)量用用重量衡量量稱為重量量流量G，單位為Kg/s。二者的關(guān)關(guān)系為：G=γQ斷面平均流流速：由于流體體的粘性，，過(guò)流斷面面上各點(diǎn)的的流速分布布不均勻，，根據(jù)流量量相等原則則所確定的的均勻流速速稱為斷面面平均流速速。單位m/s(CFM)V＝Q/A濕周與水力力半徑濕周：過(guò)流斷面面上流體與與固體壁面面相接觸的的周界長(zhǎng)度度。用x表示，單位位m。水力半徑：總流過(guò)過(guò)過(guò)流斷面面面積A與濕周x之比稱為水水力半徑，，應(yīng)符號(hào)R表示，單位位M。恒定流連續(xù)續(xù)性方程對(duì)不可壓縮縮流體：V1A1=V2A2.對(duì)可壓縮流流體：ρ1V1A1=ρ1V2A217熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)學(xué)基礎(chǔ)恒定流能量量方程對(duì)理想流體體：Z＋p/γ+v2/2g=常數(shù)實(shí)際流體:由于粘性作作為會(huì)引起起流動(dòng)阻力力，流體阻阻力與流體體流動(dòng)方向向相反作負(fù)負(fù)功，使流流體的總能能量不斷衰衰減，每個(gè)個(gè)斷面的Z＋p/y+v2/2g≠常數(shù)，假設(shè)設(shè)流體從斷斷面1到斷面2的能量損失失為hw，則元流的的能量方程程式為：Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋hw18熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)學(xué)基礎(chǔ)流體流動(dòng)的的阻力:由于流體的的粘性和固固體邊界的的影響，使使流體在流流動(dòng)過(guò)程中中受到阻力力，這個(gè)阻阻力稱為流流動(dòng)阻力，，可分為沿沿程阻力和和局部阻力力兩種。沿程阻力：在邊界沿沿程不變的的區(qū)域，流流體沿全部部流程的摩摩檫阻力。。局部阻力：在邊界急急劇變化的的區(qū)域，如如斷面突然然擴(kuò)大或突突然縮小、、彎頭等局局部位置，，是流體的的流體狀態(tài)態(tài)發(fā)生急劇劇變化而產(chǎn)產(chǎn)生的流動(dòng)動(dòng)阻力。層流、紊流流與雷諾數(shù)數(shù)層流：流體質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)互不混雜雜，有規(guī)則則的層流運(yùn)運(yùn)動(dòng)。Re=Vde/ν<2300層流紊流：流體質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)相互混雜雜，無(wú)規(guī)則則的紊流運(yùn)運(yùn)動(dòng)。顯然層流狀狀態(tài)下只存存在粘性引引起的摩檫檫阻力，而而紊流狀態(tài)態(tài)下除摩檫檫阻力外還還存在由于于質(zhì)點(diǎn)相互互碰撞、混混雜所造成成的慣性阻阻力，因此此紊流的阻阻力較層流流阻力大的的多。Re=Vde/ν<2300紊流19熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)學(xué)基礎(chǔ)管內(nèi)層流沿沿程阻力計(jì)計(jì)算(達(dá)西公式)hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ－沿程阻力力系數(shù)，λ＝64/Re管內(nèi)紊流沿沿程阻力計(jì)計(jì)算hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ＝f(Re，ε/d)，即紊流時(shí)時(shí)沿程阻力力系數(shù)不僅僅與雷諾數(shù)數(shù)有關(guān)，還還與相對(duì)粗粗糟度ε有關(guān)。尼古拉茲采采用人工粗粗糟管進(jìn)行行試驗(yàn)得出出了沿程阻阻力系數(shù)的的經(jīng)驗(yàn)公式式：紊流光滑區(qū)區(qū)：4000<Re<105,λ采用布拉修修斯公式計(jì)計(jì)算：λ＝0.3164/Re0.2520熱設(shè)計(jì)的基基礎(chǔ)理論流體動(dòng)力學(xué)學(xué)基礎(chǔ)非園管道沿沿程阻力的的計(jì)算引入當(dāng)量水水力半徑后后所有園管管的計(jì)算方方法與公式式均可適用用非園管，，只需把園園管直徑換換成當(dāng)量水水力直徑。。de=4A/x局部阻力hj＝ξρV2/2ξ－局部阻力力系數(shù)突然擴(kuò)大：：按小面積流流速計(jì)算的的局部阻力力系數(shù)：ζ1＝(1-A1/A2)按大面積流流速計(jì)算的的局部阻力力系數(shù)：ζ2＝(1-A2/A1)突然縮?。海嚎蓮南嚓P(guān)的的資料中查查閱經(jīng)驗(yàn)值值。21散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法散熱器冷卻卻方式的判判據(jù)對(duì)通風(fēng)條件件較好的場(chǎng)場(chǎng)合：散熱熱器表面的的熱流密度度小于0.039W/cm2，可采用自自然風(fēng)冷。。對(duì)通風(fēng)條件件較惡劣的的場(chǎng)合：散散熱器表面面的熱流密密度小于0.024W/cm2，可采用自自然風(fēng)冷。。散熱器強(qiáng)迫迫風(fēng)冷方式式的判據(jù)對(duì)通風(fēng)條件件較好的場(chǎng)場(chǎng)合，散熱熱器表面的的熱流密度度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷。對(duì)通風(fēng)條件件較惡劣的的場(chǎng)合：散熱器表面面的熱流密密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用用強(qiáng)迫風(fēng)冷冷。22散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法散熱器設(shè)計(jì)計(jì)的步驟通常散熱器器的設(shè)計(jì)分分為三步1:根據(jù)相關(guān)約約束條件設(shè)設(shè)計(jì)處輪廓廓圖。2:根據(jù)散熱器器的相關(guān)設(shè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)對(duì)散熱器齒齒厚、齒的的形狀、齒齒間距、基基板厚度進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化。。3:進(jìn)行校核計(jì)計(jì)算。23散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法自然冷卻散散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法考慮到自然然冷卻時(shí)溫溫度邊界層層較厚，如如果齒間距距太小，兩兩個(gè)齒的熱熱邊界層易易交叉，影影響齒表面面的對(duì)流，，所以一般般情況下，，建議自然然冷卻的散散熱器齒間間距大于12mm，如果散熱熱器齒高低低于10mm，可按齒間間距≥1.2倍齒高來(lái)確確定散熱器器的齒間距距。自然冷卻散散熱器表面面的換熱能能力較弱，，在散熱齒齒表面增加加波紋不會(huì)會(huì)對(duì)自然對(duì)對(duì)流效果產(chǎn)產(chǎn)生太大的的影響，所所以建議散散熱齒表面面不加波紋紋齒。自然對(duì)流的的散熱器表表面一般采采用發(fā)黑處處理，以增增大散熱表表面的輻射射系數(shù)，強(qiáng)強(qiáng)化輻射換換熱。由于自然對(duì)對(duì)流達(dá)到熱熱平衡的時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)，，所以自然然對(duì)流散熱熱器的基板板及齒厚應(yīng)應(yīng)足夠，以以抗擊瞬時(shí)時(shí)熱負(fù)荷的的沖擊，建建議大于5mm以上。24散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法強(qiáng)迫冷卻散散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法在散熱器表表面加波紋紋齒，波紋紋齒的深度度一般應(yīng)小小于0.5mm。增加散熱器器的齒片數(shù)數(shù)。目前國(guó)國(guó)際上先進(jìn)進(jìn)的擠壓設(shè)設(shè)備及工藝藝已能夠達(dá)達(dá)到23的高寬比，，國(guó)內(nèi)目前前高寬比最最大只能達(dá)達(dá)到8。對(duì)能夠提提供足夠的的集中風(fēng)冷冷的場(chǎng)合，，建議采用用低溫真空空釬焊成型型的冷板，，其齒間距距最小可到到2mm。采用針狀齒齒的設(shè)計(jì)方方式，增加加流體的擾擾動(dòng)，提高高散熱齒間間的對(duì)流換換熱系數(shù)。。當(dāng)風(fēng)速大于于1m/s(200CFM)時(shí)，可完全全忽略浮升升力對(duì)表面面換熱的影影響。25散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法在一定冷卻卻條件下，，所需散熱熱器的體積積熱阻大小小的選取方方法26散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法在一定的冷冷卻體積及及流向長(zhǎng)度度下，確定定散熱器齒齒片最佳間間距的大小小的方法27散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法不同形狀、、不同的成成型方法的的散熱器的傳熱效率率比較28散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法散熱器的相相似準(zhǔn)則數(shù)數(shù)及其應(yīng)用用方法相似準(zhǔn)則數(shù)數(shù)的定義29散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法散熱器的相相似準(zhǔn)則數(shù)數(shù)及其應(yīng)用用方法相似準(zhǔn)則數(shù)數(shù)的應(yīng)用30散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法散熱器的基基板的優(yōu)化化方法31散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法不同風(fēng)速下下散熱器齒齒間距選擇擇方法32散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法不同風(fēng)速下下散熱器齒齒間距選擇擇方法33散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化散熱器器齒間距的的經(jīng)驗(yàn)公式式及評(píng)估風(fēng)風(fēng)速變化對(duì)對(duì)熱阻的影影響的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公式34散熱器的設(shè)設(shè)計(jì)方法輻射換熱的的考慮原則則如果物體表表面的溫度度低于50℃，可忽略顏顏色對(duì)輻射射換熱的影影響。因?yàn)闉榇藭r(shí)輻射射波長(zhǎng)相當(dāng)當(dāng)長(zhǎng)，處于于不可見(jiàn)的的紅外區(qū)。。而在紅外外區(qū)，一個(gè)個(gè)良好的發(fā)發(fā)射體也是是一個(gè)良好好的吸收體體，發(fā)射率率和吸收率率與物體表表面的顏色色無(wú)關(guān)。對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)風(fēng)冷，由于于散熱表面面的平均溫溫度較低，，一般可忽忽略輻射換換熱的貢獻(xiàn)獻(xiàn)。如果物體表表面的溫度度低于50℃，可不考慮輻輻射換熱的的影響。輻射換熱面面積計(jì)算時(shí)時(shí)，如表面面積不規(guī)則，，應(yīng)采用投投影面積。。即沿表面各各部分繃緊緊繩子求得得的就是這一一投影面積積，如圖所所示。輻射射傳熱要求求輻射表面面必須彼此此可見(jiàn)。35熱設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算方法冷卻方式的的選擇方法法確定冷卻方方法的原則則在所有的冷冷卻方法中中應(yīng)優(yōu)先考考慮自然冷冷卻，只有有在自然冷冷卻無(wú)法滿滿足散熱要要求時(shí)，才才考慮其它它冷卻。冷卻方式的的選擇方法法1:根據(jù)溫升在在40℃條件下各種種冷卻方式式的熱流密密度或體積積功率密度度值的范圍圍來(lái)確定冷冷卻方式，，具有一定定的局限性性，如圖1所示。36熱設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算方法冷卻方式的的選擇方法法冷卻方式的的選擇方法法2:根據(jù)熱流密密度與溫升升要求，按按圖2所示示關(guān)關(guān)系系曲曲線線選選擇擇，，此此方方法法適適應(yīng)應(yīng)于于溫溫升升要要求求不不同同的的各各類類設(shè)設(shè)備備的的冷冷卻卻37熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的計(jì)計(jì)算算方方法法冷卻卻方方式式的的選選擇擇方方法法冷卻卻方方式式的的選選擇擇方方法法案案例例某電電子子設(shè)設(shè)備備的的功功耗耗為為300W，機(jī)機(jī)殼殼的的幾幾何何尺尺寸寸為為248××381××432mm，在在正正常常大大氣氣壓壓下下，，若若設(shè)設(shè)備備的的允允許許溫溫升升為為40℃℃，試試問(wèn)問(wèn)采采用用那那種種冷冷卻卻方方法法比比較較合合理理？？計(jì)算算熱熱流流密密度度：：q=300/2(2.48××2.2.48+2.48××4.32+2.2.81××4.32)=0.04W/cm2根據(jù)據(jù)圖圖2查得得，，當(dāng)當(dāng)△△t=40℃℃，q=0.04W/cm2時(shí)，，其其交交點(diǎn)點(diǎn)正正好好落落在在自自然然冷冷卻卻范范圍圍內(nèi)內(nèi)，，所所有有采采用用自自然然冷冷卻卻方方法法就就可可以以滿滿足足要要求求。。若設(shè)設(shè)備備的的溫溫升升有有嚴(yán)嚴(yán)格格限限制制，，假假設(shè)設(shè)只只允允許許10℃℃，由由圖圖2可以以看看出出，，需需強(qiáng)強(qiáng)迫迫風(fēng)風(fēng)冷冷才才能能滿滿足足要要求求。。38熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的計(jì)計(jì)算算方方法法機(jī)箱箱的的熱熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)計(jì)算算密封封機(jī)機(jī)箱箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)ΔΔt1.25+4σσεεTm3ΔT對(duì)通通風(fēng)風(fēng)機(jī)機(jī)箱箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)ΔΔt1.25+4σσεεTm3ΔT+1000uAΔΔT對(duì)強(qiáng)強(qiáng)迫迫通通風(fēng)風(fēng)機(jī)機(jī)箱箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)ΔΔt1.25+4σσεεTm3ΔT+1000QfΔT39熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的計(jì)計(jì)算算方方法法機(jī)箱箱的的熱熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)計(jì)算算[案例例]有一一電電子子設(shè)設(shè)備備其其總總功功耗耗為為55W，其其外外形形尺尺寸寸長(zhǎng)長(zhǎng)、、寬寬、、高高分分別別為為400mm、300mm和250mm，外外殼殼外外表表面面的的黑黑度度為為ε=0.96，外外表表面面的的溫溫度度為為35℃，周周圍圍環(huán)環(huán)境境溫溫度度為為25℃，設(shè)設(shè)備備內(nèi)內(nèi)部部的的空空氣氣允允許許溫溫度度為為40℃，設(shè)設(shè)備備的的四四個(gè)個(gè)側(cè)側(cè)面面及及頂頂面面參參與與散散熱熱，，試試進(jìn)進(jìn)行行自自然然冷冷卻卻設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)計(jì)算算。。解:密封封機(jī)機(jī)箱箱的的最最大大散散熱熱量量QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/3)Δt1.25+4σεεTm3F輻射射Δt＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96×(0.4××0.3+1.4×0.25)×3083×10=16.87+29.9=46.78W<Q=55W顯然然，，密密封封機(jī)機(jī)箱箱不不能能夠夠滿滿足足散散熱熱要要求求，，需需開(kāi)開(kāi)通通風(fēng)風(fēng)口口。。通風(fēng)風(fēng)機(jī)機(jī)箱箱的的通通風(fēng)風(fēng)面面積積計(jì)計(jì)算算QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεεTm3F輻射射Δt+1000uSinΔt55＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96××(0.4××0.3+1.4×0.25)×3083×10＋1000×0.1×Sin×10Sin=82.2cmSout＝(1.5-2.0)Sin=164.4cm240熱設(shè)計(jì)的的計(jì)算方方法自然冷卻卻時(shí)進(jìn)風(fēng)風(fēng)口面積積的計(jì)算算在機(jī)柜的的前面板板上開(kāi)各各種形式式的通風(fēng)風(fēng)孔或百百葉窗，，以增加加空氣對(duì)對(duì)流，進(jìn)進(jìn)風(fēng)口的的面積大大小按下下式計(jì)算算：Sin=Q/(7.4×10-5H×Δt1.5)s-通風(fēng)口面面積的大大小，cm2Q-機(jī)柜內(nèi)總總的散熱熱量，WH-機(jī)柜的高高度，cm，約模塊塊高度的的1.5-1.8倍，Δt=t2-t1－內(nèi)部空空氣t2與外部空空氣溫度度t1之差，，℃℃出風(fēng)口面面積為進(jìn)進(jìn)風(fēng)口面面積的1.5-2倍41熱設(shè)計(jì)的的計(jì)算方方法強(qiáng)迫風(fēng)冷冷出風(fēng)口口面積的的計(jì)算模塊有風(fēng)扇端端的通風(fēng)風(fēng)面積:Sfan=0.785(φin2－φhub2)無(wú)風(fēng)扇端端的通風(fēng)風(fēng)面積S=(1.1-1.5)Sfan系統(tǒng)在后面板板(后門)上與模塊塊層對(duì)應(yīng)應(yīng)的位置置開(kāi)通風(fēng)風(fēng)口，通通風(fēng)口的的面積大大小應(yīng)為為：S＝(1.5-2.0)(N×S模塊)N---每層模塊塊的總數(shù)數(shù)S模塊---每一個(gè)模模塊的進(jìn)進(jìn)風(fēng)面積積42熱設(shè)計(jì)的的計(jì)算方方法通風(fēng)面積積計(jì)算的的案例[案例]鐵道信號(hào)號(hào)電源機(jī)機(jī)柜模塊塊及系統(tǒng)統(tǒng)均為自自然冷卻卻，每層層模塊的的散熱量量為360W，模塊的的高度為為7U，進(jìn)出口口溫差按按20℃計(jì)算，機(jī)機(jī)柜實(shí)際際寬度為為680mm，試計(jì)算算每層進(jìn)進(jìn)出風(fēng)口口的面積積？H按2倍模塊的的高度計(jì)計(jì)算，即即H=2××7U=14U進(jìn)風(fēng)口口的面面積按按下式式計(jì)算算：Sin=Q/(7.4×10-5×H××△t1.5)=360/(7.4×10-5×14××4.44×201.5)=875cm2進(jìn)風(fēng)口口高度度h機(jī)柜的的寬度度按B=680mm計(jì)，則則進(jìn)風(fēng)風(fēng)口的的高度度為：：H=Sin/B=875/68=128.7mmb出風(fēng)口口面積積SoutSout=(1.5-2.0)Sin=2××875=1750cm243熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法實(shí)際冷冷卻風(fēng)風(fēng)量的的計(jì)算算方法法q`=Q/(0.335△T)q`---實(shí)際所所需的的風(fēng)量量，M3/hQ----散熱量量，W△T--空氣的的溫升升，℃℃，一一般為為10－15℃℃。確定風(fēng)風(fēng)扇的的型號(hào)號(hào)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公式式：按照1.5-2倍的裕裕量選選擇風(fēng)風(fēng)扇的的最大大風(fēng)量量：q=(1.5-2)q`按最大大風(fēng)量量選擇擇風(fēng)扇扇型號(hào)號(hào)。44熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法實(shí)際冷冷卻風(fēng)風(fēng)量的的計(jì)算算方法法案例：：10KUPS主功率率管部部分的的實(shí)際際總損損耗為為800W，空氣氣溫升升按15℃考慮，，請(qǐng)選選擇合合適的的風(fēng)扇扇。實(shí)際所所須風(fēng)風(fēng)量為為：q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h按照2倍的裕裕量選選擇風(fēng)風(fēng)扇的的最大大風(fēng)量量：q=2q`=2×159.2=318.4m3/h下表風(fēng)風(fēng)扇為為可選選型號(hào)號(hào)45熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法型材散散熱器器的計(jì)計(jì)算散熱器器的熱熱阻散熱器器的熱熱阻是是從大大的方方面包包括三三個(gè)部部分。。RSA=R對(duì)+R導(dǎo)+R輻R對(duì)=1/（hcF1）F1--對(duì)流換換熱面面積(m),hc–對(duì)流換換熱系系數(shù)(w/m2.k)R輻--輻射換換熱熱熱阻，對(duì)強(qiáng)強(qiáng)迫風(fēng)風(fēng)冷可可忽略略不計(jì)計(jì)對(duì)自然然冷卻卻R輻＝1/(4бεTm3)R導(dǎo)＝R基板＋R肋導(dǎo)＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R對(duì)流λ--導(dǎo)熱系系數(shù)，，w/m.h.℃δ--散熱器器基板板厚度度(m)η--肋效率率系數(shù)數(shù)F2--基板的的導(dǎo)熱熱面積積(m)F2=0.785*(d+δ)2d-發(fā)熱器器件的的當(dāng)量量直徑徑（m)46熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法型材散散熱器器的計(jì)計(jì)算對(duì)流換換熱系系數(shù)的的計(jì)算算自然對(duì)對(duì)流垂直表表面hcs=1.414(△t/L)0.25，w/m.k式中:△t--散熱表表面與與環(huán)境境溫度度的平平均溫溫升，，℃L--散熱表表面的的特征征尺寸寸，取取散熱熱表面面的高高，m水平表表面，，熱表表面朝朝上hct=1.322(△t/L)0.25，w/m.k式中:△t--散熱表表面與與環(huán)境境溫度度的平平均溫溫升，，℃L--散熱表表面的的特征征尺寸寸，取取L＝2(長(zhǎng)×寬)/(長(zhǎng)＋寬寬)，m水平表表面，，熱表表面朝朝下hcb=0.661(△t/L)0.25，w/m.k式中:△t--散熱表表面與與環(huán)境境溫度度的平平均溫溫升，，℃L--散熱表表面的的特征征尺寸寸，取取L＝2(長(zhǎng)×寬)/(長(zhǎng)＋寬寬)，m47熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法型材散散熱器器的計(jì)計(jì)算對(duì)流換換熱系系數(shù)的的計(jì)算算強(qiáng)迫對(duì)對(duì)流層流Ref<105hc＝(1.1-1.4)λ空氣0.66Ref0.5/L湍流Ref>105hc＝(1.1-1.4)λ空氣0.032Ref0.8/L肋片效效率對(duì)直齒齒肋：：η=th(mb)/(mb))m=(2hc/λδ0)δ0：肋片根根部厚厚度(m)b.肋高(m)48熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法型材散散熱器器的計(jì)計(jì)算散熱器器的流流阻計(jì)計(jì)算散熱器器的流流阻包包括沿沿程阻阻力損損失及及局部部阻力力損失失△P＝hf+hj=λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2λf--沿程阻阻力系系數(shù)L--流向長(zhǎng)長(zhǎng)度(m)de--當(dāng)量水水利直直徑(m)，de=4A流通/濕周長(zhǎng)長(zhǎng)V--斷面流流速(m/s)沿程阻阻力系系數(shù)計(jì)計(jì)算λf層流區(qū)區(qū)：Re=Vd/υ≤2300λf=64/Re紊統(tǒng)光光滑區(qū)區(qū)4000<Re<105λf=0.3164/Re0.25υ--運(yùn)動(dòng)粘粘度系系數(shù)（（m2/s），從從文獻(xiàn)獻(xiàn)中查查找49熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法型材散散熱器器的計(jì)計(jì)算散熱器器的流流阻計(jì)計(jì)算局面阻阻力系系數(shù)ζ突然擴(kuò)擴(kuò)大按小面面積流流速計(jì)計(jì)算的的局部部阻力力系數(shù)數(shù)：ζ1＝(1-A1A2)按大面面積流流速計(jì)計(jì)算的的局部部阻力力系數(shù)數(shù)：ζ2＝(1-A2/A1)突然縮縮小可從相相關(guān)的的資料料中查查閱經(jīng)經(jīng)驗(yàn)值值。50熱設(shè)計(jì)計(jì)的計(jì)計(jì)算方方法型材散散熱器器的計(jì)計(jì)算【案例】散熱器器DXC-616(天津鋁鋁合金金廠編編號(hào))，截面面圖略略，散散熱器器的截截面積積為77.78cm2，周長(zhǎng)長(zhǎng)為2.302m，單位位長(zhǎng)度度的重重量為為21KG/m。風(fēng)扇扇采用用PAPST4656Z，風(fēng)扇扇功率率19W，最大風(fēng)量量為160m3/h，壓頭為70Pa.風(fēng)道阻力曲曲線的計(jì)算算入口面積：：Fin=0.785×D2=0.785×0.1192=0.01116m2流通面積：：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2水力直徑：：de＝4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m由于風(fēng)速較較低，一般般最大不會(huì)會(huì)超過(guò)6m/s，雷諾數(shù)<2300，沿程阻力力系數(shù)按下下式計(jì)算：：λ=64/Re＝64ν/Vde沿程阻力按按下式計(jì)算算：hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)=(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)=(8.07/V)(ρV2/2)局部阻力按按下式計(jì)算算：hj＝ξρV2/2對(duì)于突然縮縮小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得ξ＝0.38總阻力損失失H=hf+hj=(0.38+8.07/V)(ρV2/2)51熱設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算方法型材散熱器器的計(jì)算【案例】續(xù)確定風(fēng)扇的的工作點(diǎn)10KVAUPS的選擇風(fēng)扇扇為PAPST4656Z，我們把風(fēng)風(fēng)道曲線與與風(fēng)扇的曲曲線進(jìn)行疊疊加，其交交點(diǎn)即為風(fēng)風(fēng)扇的工作作點(diǎn)，給工工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)的風(fēng)速為為5m/s，壓力為35Pa.散熱器的校校核計(jì)算雷諾數(shù)Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104努謝爾特?cái)?shù)數(shù)：Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157對(duì)流換熱系系數(shù)：hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.km=(2hc/λδ)0.5=9.82ml=9.82×0.03=0.295，查得：η＝0.96該散熱器的的最大散熱熱量為（散散熱器臺(tái)面面溫升按最最大40℃考慮)：Q＝hcF△tη=460.4W計(jì)算結(jié)果表表面，散熱熱器及風(fēng)扇扇選型是合合理的。52熱設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算方法冷板的計(jì)算算方法傳熱計(jì)算確定空氣流流過(guò)冷板后后的溫升：t=Q/qmCp確定定性溫溫度tf=(2ts+t1+t2)/4，冷板臺(tái)臺(tái)面溫度ts為假定值設(shè)定冷板的寬寬度為b，則通道的的橫截面積積為Ac，Ac=b×Ac0確定定性溫溫度下的物物性參數(shù)(μ、Cp、ρ、Pr)。流體的質(zhì)量量流速和雷雷諾數(shù)G=qm/AfRe=deG/μ根據(jù)雷諾數(shù)數(shù)確定流體體的狀態(tài)(層流或紊流流)，Re<1800,層流，Re>105,湍流根據(jù)流體的的狀態(tài)(層流或紊流流)計(jì)算考爾本本數(shù)JRe<1800,層流J=6/Re0.98Re>105,湍流J=0.023/Re0.2也可以根據(jù)據(jù)齒形及雷雷諾數(shù)從GJB/Z27-92圖12－18查得53熱設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算方法冷板的計(jì)算算方法傳熱計(jì)算計(jì)算冷板的的換熱系數(shù)數(shù)：h=JGCpPr2/3計(jì)算肋片的的效率m=(2h/λδ)0.5，ηf=th(ml)/ml（也可以根根據(jù)ml值查相應(yīng)的的圖表得到到肋片效率率)計(jì)算冷板的的總效率：忽略蓋板板及底版的的效率，總總效率為：：A＝At+Ar＋Ab，η0＝1－Ar(1-ηf)/A計(jì)算傳熱單單元數(shù)NTU＝hη0A/qmCp計(jì)算冷板散散熱器的臺(tái)臺(tái)面溫度ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)54熱設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算方法冷板的計(jì)算算方法流體流動(dòng)阻阻力計(jì)算計(jì)算流通面面積與冷板板橫截面積積之比σ=Af/Ac查空氣進(jìn)入入冷板時(shí)入入口的損失失系數(shù)Kc=f(Re,σ)：根據(jù)雷諾數(shù)數(shù)Re及σ從GJB/Z27-92圖12－16及圖12－16查得查摩擦系數(shù)數(shù)f=f(Re,σ)：根據(jù)雷諾數(shù)數(shù)Re從GJB/Z27-92圖12－18查得計(jì)算流動(dòng)阻阻力△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+fρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)55熱設(shè)計(jì)的計(jì)算算方法冷板的計(jì)算方方法判斷準(zhǔn)則確定是否滿足足ts<[ts]，如果不滿足足，需增大換換熱面積或增增大空氣流量量。確定是否滿足足△P<[△P]，如果不滿足足，需減小冷冷板的阻力(如選擇阻力較較小的齒形、、增大齒解決決等)或重新選擇壓壓頭較大的風(fēng)風(fēng)扇56熱設(shè)計(jì)的計(jì)算算方法冷板的計(jì)算方方法案例：10KVAUPS冷板散熱器，，器件的損耗耗為870.5W，要求冷板散散熱器臺(tái)面溫溫升小于30℃(在40℃的環(huán)境溫度下下)。冷板散熱器的的截面圖略梯形小通道面面積：Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2每排有29個(gè)梯形小通道道，共22排，n=29×22=638個(gè)基板厚度為：：9mm總的流通面積積Af=30.4×29×22=0.0193952m2冷板的橫截面面積Ac=120×120×2=0.0288m2水力半徑：de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm57熱設(shè)計(jì)的計(jì)算算方法冷板的計(jì)算方方法【案例】續(xù)確定風(fēng)扇的工工作點(diǎn)Re=deG/μ=deqm/μAf在40℃空氣的物性參參數(shù)為：μ＝19.1×10-6kg/m.s,ρ１＝1.12kg/m3Re=(4.787×10-3×1.12×0.30483qm1/(60×19.1×10-6×0.0193952)=6.831qm1(qm1的單位為：CFM)σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.67358熱設(shè)計(jì)的計(jì)算算方法冷板的計(jì)算方方法【案例】續(xù)先忽略空氣密密度的變化,不同流量的流流阻計(jì)算如下下表所示:我們把兩個(gè)NMB4715的風(fēng)扇流量相相加，靜壓不不變，得出兩兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)聯(lián)后的靜壓曲曲線，再把上上表的數(shù)據(jù)繪繪制成風(fēng)道曲曲線并與風(fēng)扇扇靜壓曲線進(jìn)進(jìn)行畫在同一一張圖上，其其交點(diǎn)即為風(fēng)風(fēng)扇的工作點(diǎn)點(diǎn)，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s。59熱設(shè)計(jì)的計(jì)算算方法冷板的計(jì)算方方法【案例】續(xù)空氣流過(guò)冷板板后的溫升空氣口溫度為為40℃，ρ１＝1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃μ=19.1×10-6kg/m.s，Pr=0.699質(zhì)量流量qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s△t=Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63℃定性溫度：tf=(2ts+t1+t2)=(2×80+40+49.63)/4=62.4℃按定性溫度查查物性得：ρ１＝1.06kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃μ=20.1×10-6kg/m.s，Pr=0.696換熱系數(shù)質(zhì)量流速G=qm/Af=4.14×1.12=4.64kg/m2.s雷諾數(shù)Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1層流J=6/Re0.98=6/1105.10.98=6.25×10-3h=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=20.3ml=20.3×0.11=2.23ηf=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433傳熱單元數(shù)：NTU＝hη0A/qmCp=37.14××0.433×3.241=0.5772冷板的表面溫溫度：Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9℃<70℃冷板設(shè)計(jì)方案案滿足散熱要要求。60風(fēng)扇的基本定定律及噪音的的評(píng)估方法風(fēng)扇定律Basic(corrected)fanlaws

Whenfanspeedchanges

Whenairdensitychanges

Airflow

CFM2=CFM1(RPM2/RPM1)

WRONG!CFM2=CFM1(density2/density1)WRONG!

MASSFLOW2=MASSFLOW1(density2/density1)

Pressure

P2=P1(RPM2/RPM1)2

P2=P1(density2/density1)

Power

HP2=HP1(RPM2/RPM1)3

HP2=HP1(density2/density1)

Noise

N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)

N2=N1+20log10(density2/density1)

61風(fēng)扇的基本定定律及噪音的的評(píng)估方法風(fēng)扇的噪音問(wèn)問(wèn)題風(fēng)扇產(chǎn)生的噪噪音與風(fēng)扇的的工作點(diǎn)或風(fēng)風(fēng)量有直接關(guān)關(guān)系，對(duì)于軸軸流風(fēng)扇在大大風(fēng)量，低風(fēng)風(fēng)壓的區(qū)域噪噪音最小，對(duì)對(duì)于離心風(fēng)機(jī)機(jī)在高風(fēng)壓，，低風(fēng)量的區(qū)區(qū)域噪音最小小，這和風(fēng)扇扇的最佳工作作區(qū)是吻合的的。注意不要要讓風(fēng)扇工作作在高噪音區(qū)區(qū)。風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口受受阻擋所產(chǎn)生生的噪音比其出風(fēng)風(fēng)口受阻擋產(chǎn)產(chǎn)生的噪音大好幾幾倍，所以一般應(yīng)保證風(fēng)扇進(jìn)進(jìn)風(fēng)口離阻擋擋物至少30mm的距離，以免產(chǎn)生額外的噪音。。對(duì)于風(fēng)扇冷卻卻的機(jī)柜，在在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房?jī)?nèi)噪音音不得超過(guò)55dB，在普通民房?jī)?nèi)內(nèi)不得超過(guò)65dB。62風(fēng)扇的基本定定律及噪音的的評(píng)估方法風(fēng)扇的噪音問(wèn)問(wèn)題對(duì)于不得不采采用大風(fēng)量，，高風(fēng)壓風(fēng)扇扇從而產(chǎn)生較較大噪音的情情況，可以在在機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)風(fēng)口、出風(fēng)口口、前后門內(nèi)內(nèi)側(cè)、風(fēng)扇框框面板、側(cè)板板等處在不影影響進(jìn)風(fēng)的條條件下貼吸音音材料，吸音音效果較好的的材料主要是是多孔介質(zhì)，，如玻璃棉，，厚度越厚越越好。有時(shí)由于沒(méi)有有合適的風(fēng)機(jī)機(jī)而選擇了轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)風(fēng)機(jī)，在保證證設(shè)計(jì)風(fēng)量的的條件下，可可以通過(guò)調(diào)整整風(fēng)機(jī)的電壓壓或其他方式式降低風(fēng)扇的的轉(zhuǎn)速，從而而降低風(fēng)扇的的噪音。相應(yīng)應(yīng)的噪音降低低變化按下式式計(jì)算：N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)63風(fēng)扇扇的的基基本本定定律律及及噪噪音音的的評(píng)評(píng)估估方方法法風(fēng)扇扇的的噪噪音音問(wèn)問(wèn)題題【案例例】：一電電源源模模塊塊采采用用一一個(gè)個(gè)軸軸流流風(fēng)風(fēng)扇扇進(jìn)進(jìn)行行冷冷卻卻，，為為了了有有效效抑抑止止噪噪音音，，要要求求風(fēng)風(fēng)扇扇只只有有在在監(jiān)監(jiān)控控點(diǎn)點(diǎn)的的溫溫度度高高于于85℃℃才全全速速運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，，其其余余情情況況風(fēng)風(fēng)扇扇必必須須半半速速運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。。已已知知風(fēng)風(fēng)扇扇全全速速運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速為為2000RMP，噪噪音音為為40db，求求在在半半速速運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)風(fēng)風(fēng)扇扇的的噪噪音音為為多多少少？？如如果果已已知知全全速速運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)風(fēng)風(fēng)扇扇的的工工作作點(diǎn)點(diǎn)為為(50CFM,0.3IN.H2O)，試試求求風(fēng)風(fēng)扇扇在在半半速速運(yùn)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)時(shí)的的工工作作點(diǎn)點(diǎn)。。解：：根根據(jù)據(jù)風(fēng)風(fēng)扇扇定定律律N2=N1+50log10(RPM2/RPM1)＝40＋50log10(1000/2000)＝24.9dbP2=P1(RPM2/RPM1)2＝0.3(1000/2000)2=0.075IN.H2OCFM2=CFM1(RPM2/RPM1)＝50(1000/2000)=25CFM64海拔拔高高度度對(duì)對(duì)熱熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的影影響響及及解解決決對(duì)對(duì)策策海拔拔高高度度對(duì)對(duì)自自然然冷冷卻卻條條件件的的熱熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)要要求求對(duì)于于自自然然對(duì)對(duì)流流，，其其傳傳熱熱機(jī)機(jī)理理是是由由于于冷冷卻卻空空氣氣吸吸熱熱后后其其密密度度減減小小，，迫迫使使重重力力場(chǎng)場(chǎng)中中的的空空氣氣上上升升而而形形成成冷冷熱熱空空氣氣的的對(duì)對(duì)流流而而產(chǎn)產(chǎn)生生熱熱量量傳傳遞遞。。由由于于隨隨著著海海拔拔高高度度的的增增加加，，空空氣氣的的密密度度逐逐漸漸減減小小，，空空氣氣上上升升的的能能力力也也就就減減少少，，自自然然對(duì)對(duì)流流換換熱熱的的能能力力減減弱弱。。自自然然對(duì)對(duì)流流換換熱熱能能力力的的變變化化最最終終體體現(xiàn)現(xiàn)在在對(duì)對(duì)流流換換熱熱系系數(shù)數(shù)的的變變化化上上，，根根據(jù)據(jù)美美國(guó)國(guó)斯斯坦坦伯伯格格的的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)公公式式，，如如果果忽忽略略空空氣氣溫溫度度的的變變化化，，可可按按下下式式計(jì)計(jì)算算海海拔拔高高度度對(duì)對(duì)自自然然對(duì)對(duì)流流的的影影響響強(qiáng)強(qiáng)弱弱。。hc(高空空)＝hc(海平平面面)(ρ高空空/ρ海平平面面)0.5=hc(海平平面面)(p高空空/p海平平面面)0.5hc(高空空)，hc(海平平面面)－分別別為為高高空空及及海海平平面面的的自自然然對(duì)對(duì)流流換換熱熱系系數(shù)數(shù)，，W/m.kρ高空空，ρ海平平面面－分別別為為高高空空及及海海平平面面的的空空氣氣密密度度，，Kg/m3p高空空，p海平平面面－分別別為為高高空空及及海海平平面面的的空空氣氣壓壓力力，，帕帕斯斯卡卡65海拔拔高高度度對(duì)對(duì)熱熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)的的影影響響及及解解決決對(duì)對(duì)策策海拔拔高高度度對(duì)對(duì)強(qiáng)強(qiáng)迫迫冷冷卻卻條條件件的的熱熱設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)要要求求海拔拔高高度度對(duì)對(duì)強(qiáng)強(qiáng)迫迫風(fēng)風(fēng)冷冷影影響響的的機(jī)機(jī)理理是是由由于于隨隨著著海海拔拔高高度度的的增增加加，，空空氣氣密密度度減減小小，，質(zhì)質(zhì)量量流流速速減減小小，，空空氣氣分分子子間間碰碰撞撞的的概概率率降降低低，，對(duì)對(duì)流流換換熱熱能能力力減減弱弱。。同同樣樣，，強(qiáng)強(qiáng)迫迫對(duì)對(duì)流流換換熱熱隨隨海海拔拔高高度度的的變變化化最最終終體體現(xiàn)現(xiàn)在在對(duì)對(duì)流流換換熱熱系系數(shù)數(shù)的的變變化化上上，，美美國(guó)國(guó)軍軍用用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)規(guī)規(guī)定定，，低低于于5000米以下的的高空，，如果忽忽略空氣氣溫度的的變化，，可按下式計(jì)算海海拔高度度對(duì)強(qiáng)迫迫風(fēng)冷換換熱影響響的強(qiáng)弱弱。層流：hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.5湍流：hc(高空)＝hc(海平面)(ρ高空/ρ海平面)0.8hc(高空)，hc(海平面)－分別為高高空及海海平面的的強(qiáng)迫風(fēng)風(fēng)冷對(duì)流流換熱系系數(shù)，W/m.kp高空，p海平面－分別為高高空及海海平面的的空氣壓壓力，帕帕斯卡66海拔高度度對(duì)熱設(shè)設(shè)計(jì)的影影響及解解決對(duì)策策自然對(duì)流流時(shí)的解解決對(duì)策策預(yù)先計(jì)算算出海拔拔高度對(duì)對(duì)自然對(duì)對(duì)流換熱熱系數(shù)的的影響大大小，通通過(guò)增加加相應(yīng)的的對(duì)流換換熱面積積來(lái)彌補(bǔ)補(bǔ)高空換換熱能力力的減弱弱，按下下式計(jì)算算：F對(duì)流(高空)＝F對(duì)流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.567海拔高度度對(duì)熱設(shè)設(shè)計(jì)的影影響及解解決對(duì)策策強(qiáng)迫對(duì)流流時(shí)的解解決對(duì)策策增大面積積法預(yù)先計(jì)算算出海拔拔高度對(duì)對(duì)自然對(duì)對(duì)流換熱熱系數(shù)的的影響大大小，通通過(guò)增加加相應(yīng)的的對(duì)流換換熱面積積來(lái)彌補(bǔ)補(bǔ)高空換換熱能力力的減弱弱，按下下式計(jì)算算：F對(duì)流(高空)＝F對(duì)流(海平面)/(ρ高空/ρ海平面)0.5提高風(fēng)扇扇的轉(zhuǎn)速速RPM2/RPM1＝ρ海平面/ρ高空68元器件工工作結(jié)溫溫的計(jì)算算元器件的的工作結(jié)結(jié)溫計(jì)算算如果已知知道散熱熱器臺(tái)面面溫度Ts,則器件的的工作結(jié)結(jié)溫為：：Tj=Ts+PT×Rth(j-s)Rth(j-s)=Rjc+Rcs+RbRth(j-s)－器件結(jié)結(jié)到散熱熱器的熱熱阻，℃℃/W。Rjc－器件結(jié)殼殼熱阻，，℃/W，從器件件使用手手冊(cè)中查查得Rcs--殼到散熱熱器的熱熱阻，即即接觸熱熱阻,℃/W，可根據(jù)據(jù)從器件件使用手手冊(cè)中查查得的值值乘以適適當(dāng)?shù)南迪禂?shù)得到到。Rb-絕緣墊片片的熱阻阻，℃/W，可絕緣緣墊片的的數(shù)據(jù)資資料中查查得，無(wú)無(wú)絕緣墊墊片時(shí)該該項(xiàng)熱阻阻為零。。如果已知知散熱器器的熱阻阻，環(huán)境境溫度，，則器件件的工作作結(jié)溫為為：Tj=Ta+PT×Rth(j-a)Rth(j-a)=Rsa+Rjc+Rcs+RbRth(j-a)－器件結(jié)結(jié)到環(huán)境境的熱阻阻，℃/W。Rsa－散熱器器熱阻，，℃/W69元器件工工作結(jié)溫溫的計(jì)算算元器件的的工作結(jié)結(jié)溫計(jì)算算[案例1]30A模塊中，，輸出二二極管處處散熱器器的臺(tái)面面溫度為為94.6℃，二極管管的最大大結(jié)溫為為175℃℃，結(jié)殼熱熱阻為0.45℃/W，接觸熱阻阻為0.15℃/W，絕緣墊片片的熱阻阻為0.3℃/W，計(jì)算二極極管的工工作結(jié)溫溫。Rjs=Rjc+Rcs＋Rb=0.45+0.15+0.3=0.9℃℃/wTj=Ts+Pd×Rjs=94.6+44.2×0.9=134.4℃[案例2]如把[案例1]中的二極極管在一一散熱器器中央，，散熱器器的熱阻阻為0.8℃/w，環(huán)境溫溫度為40℃。Rjs=Rsa+Rjc+Rcs＋Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/wTj=Ta+PT×Rth(j-a).＝40＋44.2×1.7=115.2℃70熱仿真技技術(shù)為什么要要進(jìn)行熱熱仿真分分析？提高產(chǎn)品品的性能能及可靠靠性。更快地將將產(chǎn)品投投放市場(chǎng)場(chǎng)。降低設(shè)計(jì)計(jì)、生產(chǎn)產(chǎn)和重復(fù)復(fù)設(shè)計(jì)、、生產(chǎn)的的費(fèi)用。。減少試驗(yàn)驗(yàn)和測(cè)量量的次數(shù)數(shù)。71熱仿真技技術(shù)仿真分析析技術(shù)及及軟件介介紹電子設(shè)備備熱設(shè)計(jì)計(jì)軟件是是基于計(jì)計(jì)算傳熱熱學(xué)技術(shù)術(shù)（NTS）和計(jì)算算流體力力學(xué)技術(shù)術(shù)（CFD）發(fā)展電電子設(shè)備備散熱設(shè)設(shè)計(jì)輔助助分析軟軟件，它它可以幫幫助熱設(shè)設(shè)計(jì)工程程師驗(yàn)證證、優(yōu)化化熱設(shè)計(jì)計(jì)方案，，滿足產(chǎn)產(chǎn)品快速速開(kāi)發(fā)的的需要，，并可以以顯著降降低產(chǎn)品品驗(yàn)證熱熱測(cè)試的的工作量量。目前商業(yè)業(yè)的熱設(shè)設(shè)計(jì)軟件件種類繁繁多，有有基于有有限體積積法的Flotherm、I-deas、Ice-pack、Tas－Harvardthermal、Coolit、Betasoft，及基于于有限元元的Ansys等，其中中Flotherm、I-deas、Ice-pack占據(jù)大部部分的市市場(chǎng)份額額。72熱仿真技技術(shù)仿真分析析技術(shù)軟軟件在產(chǎn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)發(fā)的作用用對(duì)產(chǎn)品的的溫度場(chǎng)場(chǎng)作出預(yù)預(yù)測(cè)，使使我們?cè)谠谶M(jìn)行產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)時(shí)關(guān)注熱熱點(diǎn)區(qū)域域。進(jìn)行各種種設(shè)計(jì)方方案的優(yōu)優(yōu)劣分析析，得出出最佳的的設(shè)計(jì)方方案。對(duì)產(chǎn)品的的風(fēng)路進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化化，最大大限度的的提高散散熱效率率。任何先進(jìn)進(jìn)的仿真真軟件已已永遠(yuǎn)無(wú)無(wú)法代替替人，軟軟件只是是熱設(shè)計(jì)計(jì)人員所所利用的的工具之之一。所所以仿真真軟件結(jié)結(jié)果的可可靠性決決定于熱熱設(shè)計(jì)人人員的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)及理理論水平平。73熱仿真技技術(shù)ANSYS軟件介紹Ansys軟件是由美國(guó)國(guó)Ansys公司推出的多多物理場(chǎng)有限限元仿真分析析軟件，涉及及結(jié)構(gòu)、熱、、計(jì)算流體力力學(xué)、聲、電電磁等學(xué)科，，能夠有效地地進(jìn)行各種場(chǎng)場(chǎng)的線性和非非線性計(jì)算及及多種物理場(chǎng)場(chǎng)相互影響的的耦合分析。。Structure是該軟件面向向結(jié)構(gòu)分析研研究的專用模模塊。Flortran是該軟件面向向流場(chǎng)分析研研究的專用模模塊。Thermal是其中面向熱熱設(shè)計(jì)研究的的專用模塊。。74熱仿真技術(shù)Flothermal熱分析軟件介介紹Flotherm是英國(guó)的FLOMERICS公司開(kāi)發(fā)的電電子設(shè)備熱設(shè)設(shè)計(jì)軟件，其其最顯著的特特點(diǎn)是針對(duì)電電子設(shè)備的組組成結(jié)構(gòu)，提提供的熱設(shè)計(jì)計(jì)組件模型，，根據(jù)這些組組件模型可以以快速的建立立機(jī)柜、插框框、單板、芯芯片、風(fēng)扇、、散熱器等電電子設(shè)備的各各組成部分。。Flotherm軟件基本上可可以分為前處處理、求解器器和后處理三三個(gè)部分。前前處理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate。ProjectManager用于項(xiàng)目管理理、物性參數(shù)數(shù)、網(wǎng)格參數(shù)數(shù)、計(jì)算參數(shù)數(shù)的設(shè)定等；；DrawingBoard提供了一個(gè)可可視化的建立立機(jī)柜、插框框、單板、芯芯片幾何模型的界面和和計(jì)算網(wǎng)格劃劃分工具。通通過(guò)在ProjectManager和DrawingBoard中的互動(dòng)操作作，就可以完完成具體的建建模工作。Flogate是一個(gè)數(shù)據(jù)接接口模塊，它它可以把單板板的裝配圖文文件（IDF格式）導(dǎo)入Flotherm，直接完成單單板的建模設(shè)設(shè)計(jì)。求解解器是Flosolve模塊，它可以以完成模型的的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)態(tài)溫度場(chǎng)和流流場(chǎng)計(jì)算。后后處理部分包包括Visulation、Flomotion和Table，Visulation完成仿真計(jì)算算結(jié)果的可視視化顯示；Flomotion除了也可以實(shí)實(shí)現(xiàn)可視化顯顯示外，還可可以制作流場(chǎng)場(chǎng)的動(dòng)畫顯示示；熱分析模模型的大量計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)如某某區(qū)域的平均均溫度、空氣氣流量等可以以通過(guò)Table模塊查詢。75熱仿真技術(shù)ICEPAK熱分析軟件介介紹ICEPAK是全球CFD的領(lǐng)導(dǎo)者FLUENT公司通過(guò)集成成ICEMCFD公司的網(wǎng)格劃劃分及后處理理技術(shù)而開(kāi)發(fā)發(fā)成功的針對(duì)對(duì)電子設(shè)備冷冷卻分析的專專用熱設(shè)計(jì)軟軟件。具有如如下優(yōu)點(diǎn)：建模能力：除了有矩矩形，圓形模模型外，還有有多種復(fù)雜形形狀模型，如如橢球體、多多面體、管道道、斜板等模模型；有有thin-conduction薄板模型。網(wǎng)格技術(shù)：有結(jié)構(gòu)化，，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)網(wǎng)格；有四面面體網(wǎng)格；有有四面體、六六面體混合網(wǎng)網(wǎng)格；能夠?qū)?duì)復(fù)雜模型快快速生成高質(zhì)質(zhì)量網(wǎng)格；支支持結(jié)構(gòu)化與與非結(jié)構(gòu)化的的non-conformal網(wǎng)格。求解器：Fluent求解器能夠求求解多種流體體介質(zhì)問(wèn)題；；能夠求解結(jié)結(jié)構(gòu)化，非結(jié)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格問(wèn)問(wèn)題；支持網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)并行。76熱仿真技術(shù)傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)計(jì)方法與仿真真分析方法的的比較在操作流程上上面的差異傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)計(jì)方法利用設(shè)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)確定出設(shè)計(jì)計(jì)方案，然后后利用經(jīng)驗(yàn)公公式進(jìn)行估算算，在通過(guò)試試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證證，并根據(jù)試試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行行優(yōu)化。仿真分析軟件件可以同時(shí)對(duì)對(duì)多種設(shè)計(jì)方方案的優(yōu)劣進(jìn)進(jìn)行分析比較較，并能夠確確定出最佳的的設(shè)計(jì)方案。。如果軟件使使用者具有足足夠的熱設(shè)計(jì)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，則完完全可以省略略試驗(yàn)驗(yàn)證的的環(huán)節(jié)。從而而達(dá)到縮短設(shè)設(shè)計(jì)周期的目目的。優(yōu)缺點(diǎn)比較對(duì)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)的依賴度設(shè)計(jì)周期熱設(shè)計(jì)一次成功率熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化程度效率傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方法完全短低低，裕量大低仿真分析方法強(qiáng)長(zhǎng)高高，裕量適中高77熱設(shè)計(jì)的發(fā)展展趨勢(shì)電源模塊的熱熱設(shè)計(jì)發(fā)展趨趨勢(shì)一次電源模塊塊的熱設(shè)計(jì)發(fā)發(fā)展趨勢(shì)隨著電源模塊塊功率密度的的升高，熱設(shè)設(shè)計(jì)已逐漸成成為瓶頸問(wèn)題題。傳統(tǒng)的集集中散熱的方方式(所有的功率管管全部集中在在一個(gè)散熱器器上)無(wú)法滿足模塊塊體積逐步減減小的要求。。分散式散熱熱成為解決這這一難題的主主要技術(shù)。二次電源模塊塊熱設(shè)計(jì)的發(fā)發(fā)展趨勢(shì)二次電源模塊塊正朝著高效效率、超輕、、超薄、高功功率密度的方方向發(fā)展。以以O(shè)PENFRAME結(jié)構(gòu)為代表的的新一代模塊塊，如圖17所示，通過(guò)電電路技術(shù)上的的改進(jìn)，提高高了模塊的工工作效率，降降低了模塊的的熱損耗，同同時(shí)功率器件件及PCB耐溫等級(jí)的提提高，使得模模塊可以省掉掉金屬或陶瓷瓷底板，進(jìn)而而省掉了笨重重的散熱器，，有效的節(jié)省省了系統(tǒng)的可可見(jiàn)，同時(shí)提提高了模塊抗抗震動(dòng)的能力力。78熱設(shè)計(jì)的發(fā)展展趨勢(shì)大功率UPS及變頻器熱設(shè)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨趨勢(shì)大功率UPS及變頻器由于于其熱損耗較較大，往往需需要較大的散散熱器。如如何有效的的提高散熱器器的傳熱效率率成為引導(dǎo)該該類產(chǎn)品熱設(shè)設(shè)計(jì)發(fā)展的原原動(dòng)力。由于于傳統(tǒng)的型材材散熱器傳熱熱效率最低，，而以鏟齒散熱器/針裝散熱器/釬焊/插片成型散熱熱器為代表的的新的散熱器器成型方式將將逐步取代傳傳統(tǒng)笨重的型型材散熱器。。目前鏟齒散散熱器//釬焊/插片成型散熱熱器已在我司司獲得廣泛的的應(yīng)用。熱管技術(shù)由于于其傳熱溫差差小，傳熱效效率高已在電電子設(shè)備上逐逐步獲得應(yīng)用用。應(yīng)用熱管管技術(shù)可以有有效減小散熱熱器的體積，，減小