電子設(shè)備熱控制技術(shù)課件

電子設(shè)備熱控制技術(shù) 趙惇殳 西安電子科技大學(xué)編輯課件電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)熱設(shè)計(jì)基本原理液體冷卻強(qiáng)迫風(fēng)冷自然冷卻蒸發(fā)冷卻熱電致冷熱管傳熱熱測(cè)試技術(shù)編輯課件電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)參考資料1、《電子設(shè)備熱控制與分析》2、《電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》5、《GJB/Z27電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)》4、《微電子設(shè)備的換熱》3、《電子設(shè)備冷卻技術(shù)》6、《ThermalcomputationofElectronicEquipment》7、《電子機(jī)器的熱對(duì)策》（日文）編輯課件電子設(shè)備熱控制目的組件和設(shè)備的熱流密度增長(zhǎng)趨勢(shì)為芯片級(jí)、元件級(jí)、組件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)提供良好的熱環(huán)境保證芯片級(jí)、元件級(jí)、組件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)的熱可靠性防止電子元器件的熱失效編輯課件電子設(shè)備熱環(huán)境環(huán)境溫度和壓力（或高度）的極限值及變化率太陽(yáng)或周圍物體的輻射值地面設(shè)備：周圍空氣溫度、濕度、氣壓、空氣流速，周圍物體形狀和黑度，日光照射冷卻劑種類可利用的熱沉機(jī)載設(shè)備：飛行高度、飛行速度、安裝位置，有無(wú)空調(diào)艙，周圍空氣溫度、速度等艙船設(shè)備：周圍空氣溫度、濕度，有無(wú)淡水，艙室溫度，日照情況等編輯課件熱設(shè)計(jì)基本要求滿足可靠性要求滿足熱環(huán)境的要求與維修性設(shè)計(jì)相結(jié)合，易維修與電路設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、安全性等，選擇冷卻方法尺寸、重量、冷卻所需功、編輯課件熱設(shè)計(jì)基本原則保證良好的冷卻功能保證可靠性良好的經(jīng)濟(jì)性良好的維修性有良好的適應(yīng)性編輯課件冷卻方法選擇（1）自然散熱（對(duì)流和輻射）強(qiáng)迫風(fēng)冷浸沒(méi)自然對(duì)流冷卻強(qiáng)迫水冷浸沒(méi)沸騰冷卻10241024622410346824682246810-11001010-221溫升℃表面熱流密度W/cm2編輯課件冷卻方法選擇（2）空氣空氣介質(zhì)液體水介質(zhì)液體水介質(zhì)液體自然散熱強(qiáng)迫對(duì)流蒸發(fā)冷卻1.16311.63116.3116311630傳熱系數(shù)W/m2℃空氣流速3~15m/S流體流速0.3~1.5m/S編輯課件電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)傳熱學(xué)

(傳熱計(jì)算)流體力學(xué)(阻力計(jì)算)輻射對(duì)流導(dǎo)熱

編輯課件導(dǎo)熱單層平壁導(dǎo)熱導(dǎo)熱基本定律溫度場(chǎng)

導(dǎo)熱熱阻編輯課件多層平壁導(dǎo)熱單層圓筒壁導(dǎo)熱多層圓筒壁導(dǎo)熱編輯課件接觸熱阻的影響因素接觸表面接觸點(diǎn)的數(shù)量、形狀、大小及分布規(guī)律接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度）接觸表面的硬度間隙中介質(zhì)種類（真空、液體、氣體等）非接觸間隙的平均厚度接觸表面的壓力大小接觸表面的氧化程度和清潔度接觸材料的導(dǎo)熱系數(shù)編輯課件減小接觸熱阻的方法加一薄紫銅片或延展好的高導(dǎo)熱系數(shù)材料加低熔點(diǎn)合金（銦合金）提高界面間的接觸壓力在接觸表面涂一薄層導(dǎo)熱脂（膏）編輯課件導(dǎo)熱的數(shù)值分析有限元素法有限差分法編輯課件有限差分法求解步驟（2）討論與該差分格式對(duì)應(yīng)的線形代數(shù)方程解的唯一性（3）求解代數(shù)方程組，得到區(qū)域內(nèi)的溫度分布（1）構(gòu)成差分格式編輯課件有限元素法求解步驟（2）寫出單元的泛函表達(dá)式（3）構(gòu)造每個(gè)單元內(nèi)的插值函數(shù)（1）區(qū)域離散化（5）構(gòu)成代數(shù)方程組（6）求解代數(shù)方程組（4）求泛函極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式編輯課件對(duì)流換熱影響因素流體流動(dòng)發(fā)生的因素流體流動(dòng)的狀態(tài)換熱面的幾何形狀和位置流體的物理性質(zhì)編輯課件對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)流換熱現(xiàn)象換熱系數(shù)空氣自然對(duì)流3~10氣體強(qiáng)迫對(duì)流20~100水自然對(duì)流200~1000水強(qiáng)迫對(duì)流1000~15000水沸騰2000~25000高壓水蒸汽強(qiáng)迫對(duì)流500~3500水蒸汽凝結(jié)5000~15000編輯課件對(duì)流換熱計(jì)算準(zhǔn)則數(shù)名稱物理意義定性溫度：特征尺寸編輯課件準(zhǔn)則方程豎放平板柱體水平板(熱面朝上)水平板(熱面朝下)＜109＞109＜2×107＞2×1073×105~3×1010流態(tài)層流紊流層流紊流層流C0.100.590.540.150.27n1/41/31/41/31/4特征尺寸高度正方形取邊長(zhǎng)圓盤取0.901狹長(zhǎng)條取短邊矩形L=2ab/(a+b)自然對(duì)流換熱計(jì)算編輯課件管內(nèi)流動(dòng)定性溫度:流體平均溫度特征尺寸:管子內(nèi)徑或當(dāng)量直徑紊流準(zhǔn)則方程層流準(zhǔn)則方程注:上述公式或適用于直管、長(zhǎng)管否則要乘相應(yīng)修正系數(shù)強(qiáng)迫對(duì)流換熱編輯課件定性溫度:特征尺寸:流體流動(dòng)方向板或柱體的長(zhǎng)度L紊流準(zhǔn)則方程層流準(zhǔn)則方程強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算沿平板流動(dòng)（或沿柱體軸線流動(dòng)）編輯課件對(duì)流換熱的數(shù)值計(jì)算連續(xù)方程能量方程動(dòng)量方程編輯課件輻射換熱的基本概念吸收率反射率穿透率編輯課件輻射換熱的基本定律普朗克定律四次方定律基爾霍夫定律實(shí)際物體的輻射和吸收黑體的輻射角系數(shù)交叉線法編輯課件有效輻射平行平板間的輻射換熱編輯課件輻射換熱計(jì)算黑度ε:主要取決于物體表面狀態(tài)熱阻網(wǎng)絡(luò)計(jì)算法(兩個(gè)表面以上的輻射計(jì)算)表面熱阻空間熱阻兩表面間編輯課件傳熱計(jì)算熱流體冷流體固體壁(平壁或圓筒)編輯課件圓筒壁編輯課件肋壁傳熱肋效率：編輯課件熱阻輻射熱阻對(duì)流熱阻導(dǎo)熱熱阻

接觸傳熱編輯課件電子設(shè)備自然冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)自然冷卻設(shè)備的結(jié)構(gòu)因素機(jī)殼熱設(shè)計(jì)機(jī)殼通風(fēng)孔面積機(jī)殼表面處理編輯課件PCB自然冷卻熱設(shè)計(jì)印制線（導(dǎo)體）尺寸的確定PCB上元器件熱安裝技術(shù)盡量利用DIP的引線導(dǎo)熱粘接技術(shù)采用散熱PCB（導(dǎo)熱條、導(dǎo)熱板、夾芯板）冷熱分區(qū)排列元件排列方向有利于氣流流動(dòng)與冷卻（阻力）減小元件熱應(yīng)變的安裝技術(shù)導(dǎo)軌熱設(shè)計(jì)編輯課件PCB熱計(jì)算均勻熱負(fù)荷導(dǎo)熱條熱計(jì)算普通PCB熱計(jì)算編輯課件(1)(2)(3)(4)編輯課件半導(dǎo)體用散熱器熱計(jì)算編輯課件集成電路的熱分析離散熱源產(chǎn)生的收縮效應(yīng)（1）無(wú)限大的導(dǎo)熱介質(zhì)上的圓熱源（3）長(zhǎng)窄條熱源在有限導(dǎo)熱介質(zhì)上（2）有限大的導(dǎo)熱介質(zhì)上的圓熱源（4）短而窄熱源在有限導(dǎo)熱介質(zhì)上表面溫度編輯課件r1-熱源半徑，r2-圓柱半徑長(zhǎng)窄條熱源收縮效應(yīng)有限大圓形導(dǎo)熱介質(zhì)無(wú)限大圓形導(dǎo)熱介質(zhì)編輯課件短窄條熱源其中2a--熱源寬度，2b--窄條寬度，l--窄條長(zhǎng)度2d—窄條熱源長(zhǎng)度，2c—短條長(zhǎng)度編輯課件典型微電路組裝圖編輯課件芯片結(jié)到外殼的傳熱2.52W3.24W2.81W3.03W55℃編輯課件電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻單個(gè)元件風(fēng)冷整機(jī)鼓風(fēng)冷卻整機(jī)抽風(fēng)冷卻編輯課件大機(jī)柜中屏蔽盒的通風(fēng)冷卻出風(fēng)口外部對(duì)流外部輻射內(nèi)部對(duì)流風(fēng)機(jī)濾塵器空氣入口大機(jī)柜PCB編輯課件熱計(jì)算編輯課件每厘米7個(gè)肋片（鋁）160入口出口元器件0.6多層印制板0.954.8941.20.233100空芯PCB風(fēng)冷編輯課件PCB組件風(fēng)冷出口PCB2.5空氣入口軸流風(fēng)機(jī)雛形風(fēng)道機(jī)殼200(1)(2)(3)(4)(5)(6)編輯課件表2第1點(diǎn)第2點(diǎn)第3點(diǎn)第4點(diǎn)第5點(diǎn)第6點(diǎn)A(cm2)V1(cm/s)V2V3HV1(cmH2O)HV2HV31240080012000.0980.3920.88312.837575011250.0860.3450.7769.6549799514900.0750.3030.6812.253056099140.1140.4541.0245.751202393580.00880.0350.07851202393580.00880.0350.0785系統(tǒng)的壓力損失表1通道形式說(shuō)明速度頭(HV)損失數(shù)普通管道端發(fā)藍(lán)管道端圓滑進(jìn)口伸出進(jìn)口0.040.490.932.70速度頭編輯課件通風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)確定恒速風(fēng)扇；3相，115伏，400周454JS馬達(dá)15500轉(zhuǎn)/分，25瓦變速風(fēng)扇（Altivar）：?jiǎn)蜗?00，415YS馬達(dá)11000轉(zhuǎn)/分，18瓦不穩(wěn)定點(diǎn)機(jī)箱阻力曲線543210510152021ABm3/mincmH2O編輯課件通風(fēng)機(jī)的選擇種類、特點(diǎn)工作點(diǎn)特性曲線通風(fēng)機(jī)串聯(lián)通風(fēng)機(jī)并聯(lián)編輯課件結(jié)構(gòu)因素對(duì)風(fēng)冷效果影響通風(fēng)機(jī)位置元件的排列風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式熱源位置紊流器漏風(fēng)的影響編輯課件風(fēng)冷設(shè)計(jì)基本原則合理控制氣流和分配氣流集中熱源，單獨(dú)風(fēng)冷元器件排列原則力求對(duì)氣流的阻力最小進(jìn)出口盡量遠(yuǎn)離，避免風(fēng)流短路編輯課件電子設(shè)備液體冷卻直接液體冷卻蒸汽不再循環(huán)有攪動(dòng)發(fā)熱元器件浸入冷卻液（無(wú)蒸發(fā)）蒸汽再循環(huán)元器件或組件浸入冷卻液（有蒸發(fā)）TCM技術(shù)無(wú)攪動(dòng)間接液體冷卻冷板技術(shù)（液冷）編輯課件泵和熱交換器泵的選擇流量壓力離心泵泵的種類齒輪泵軸流式泵熱交換器的種類列管間壁式順流逆流叉流往復(fù)流緊湊式單流體冷板編輯課件熱計(jì)算傳熱冷流體熱流體

對(duì)數(shù)平均溫差（適用于順流—逆流）編輯課件（1）由已知條件，由熱平衡方程，求另一個(gè)未知溫度（2）求△tm（5）核算流體阻力（4）由傳熱方程求換熱面積A（3）布置換熱面，計(jì)算傳熱系數(shù)K（6）若阻力偏大，則重新設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)平均溫差法熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）編輯課件（1）計(jì)算傳熱系數(shù)K（2）計(jì)算NTU及（5）由熱平衡方程求（4）計(jì)算傳熱量φ（3）計(jì)算或查表得有效度ε有效度傳熱單元數(shù)法（ε—NTU）熱交換器的設(shè)計(jì)計(jì)算（2）編輯課件冷卻劑物理特性（沸點(diǎn)、冰點(diǎn)、傾斜點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)等）熱特性相容性經(jīng)濟(jì)性冷卻劑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)自然對(duì)流強(qiáng)迫對(duì)流（層流）強(qiáng)迫對(duì)流（紊流）電氣特性（介電強(qiáng)度、體積電阻率、介電常數(shù)等）編輯課件液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（1）確定冷卻方式，選擇冷卻劑確定流量（或流速）由△t2根據(jù)熱平衡方程確定其流量選擇二次冷卻方式（熱交換器類型）確定冷流體在熱交換器中的走向、確定h1和h2確定冷、熱流體的溫差（△t1=7~10℃，△t2=5℃）編輯課件液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（2）根據(jù)h1和h2及△tm,確定KA值，進(jìn)行設(shè)計(jì)或選擇計(jì)算阻力損失選用管路和閥水套設(shè)計(jì)（發(fā)射管）由流量和阻力損失選泵控制保護(hù)裝置編輯課件冷板冷板結(jié)構(gòu)形式氣冷式液冷式氣冷式冷板肋片封端平直形肋鋸齒形肋燕尾形燕尾槽形多孔形肋矩形外凸矩形封端底板蓋板肋片編輯課件冷板換熱計(jì)算（1）熱平衡方程換熱方程

編輯課件冷板換熱計(jì)算（2）冷板總的壓力損失冷板有效度

（Ac為通道截面積，Afr為冷板截面積）編輯課件冷板校核設(shè)計(jì)（1）溫升（肋效率）（總效率）①②③④編輯課件冷板校核設(shè)計(jì)（2）傳熱單元數(shù)若不滿足（6）（7）條件，重新計(jì)算壓力損失⑤⑥⑦⑧編輯課件初步確定結(jié)構(gòu)形式及尺寸、選肋由定性溫度，確定冷卻劑物性參數(shù)定性溫度tf=(2ts+t1+t2)/4出口溫度t2=t1+△t冷卻劑溫差通道截面積Ac=b1S2（S2單位寬度的通道面積）單位面積質(zhì)量流量冷板設(shè)計(jì)計(jì)算（1）編輯課件冷板深度D1=A/S1b1（S1單位面積的傳熱面積）壓降△P≤[△P]比較A≤[A]，△P≤[△P]，若不滿足，重新設(shè)定b，D值，直至符合要求冷板設(shè)計(jì)計(jì)算（2）編輯課件電子設(shè)備的蒸發(fā)冷卻原理蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成汽—水兩相冷卻蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算超蒸發(fā)冷卻編輯課件熱電致冷原理塞貝克效應(yīng)珀?duì)柼?yīng)付立葉效應(yīng)焦耳效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)編輯課件熱電致冷的熱計(jì)算致冷量性能系數(shù)最大溫差最大致冷量最佳工作電流材料品質(zhì)因數(shù)最佳性能系數(shù)最佳致冷量設(shè)計(jì)程序最佳性能系數(shù)設(shè)計(jì)方法編輯課件熱電致冷器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)用編輯課件蒸發(fā)端冷凝端毛細(xì)泵力蒸發(fā)端冷凝端熱管的工作原理（1）編輯課件熱管的工作原理（2）編輯課件熱管結(jié)構(gòu)與材料分類蒸汽流量調(diào)節(jié)熱管過(guò)量流體熱管充氣熱管結(jié)構(gòu)材料工作液（要求）管芯（材料、要求）管殼（材料、要求）編輯課件熱管傳熱極限粘性限聲速限毛細(xì)限沸騰限攜帶限聲速限粘性限毛細(xì)限攜帶限沸騰限編輯課件熱管應(yīng)用與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟吸液芯參數(shù)確定（截面積AW，蒸汽通道截面積AV）管殼設(shè)計(jì)（壁厚、封頭厚度）工作液的選擇計(jì)算工作液充裝量傳熱極限的校驗(yàn)設(shè)計(jì)要求（工作溫度、傳熱量、工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸、其他）應(yīng)用（管狀、平板、可控?zé)峁埽┚庉嬚n件電子設(shè)備熱測(cè)試技術(shù)溫度測(cè)量壓力測(cè)量流量測(cè)量編輯課件溫度測(cè)量熱電偶測(cè)溫（原理、制作、測(cè)試）紅外線測(cè)溫儀熱敏電阻（-80℃＜~200℃）溫度敏感涂料（38~1800℃）液晶測(cè)溫編輯課件壓力與流量測(cè)量液柱壓力計(jì)（U形管、傾斜或杯式、微壓計(jì)）節(jié)流式流量計(jì)彈簧或壓力表畢托管測(cè)流量（流速）轉(zhuǎn)子流量計(jì)編輯課件低熱阻設(shè)計(jì)技術(shù)低熔點(diǎn)合金填料低熱阻芯片1.微焊接技術(shù)2有機(jī)介質(zhì).材料3.基板技術(shù)4.熱介質(zhì)材料低熱阻優(yōu)化散熱器編輯課件.微焊接技術(shù)編輯課件基板技術(shù)編輯課件有機(jī)介質(zhì)材料編輯課件熱介質(zhì)材料編輯課件高效熱控制技術(shù)微通道散熱器熱管技術(shù)相變冷卻:液體相變冷卻固體相變冷卻編輯課件高效熱控制技術(shù)微通道散熱器編輯課件微通道散熱器組裝編輯課件激光切割微通道散熱器編輯課件MCM與微通道散熱器編輯課件零熱阻熱管（1）編輯課件鉸鏈熱管（2）編輯課件微型熱管（3）編輯課件仙人掌熱管散熱器編輯課件微型熱管散熱器編輯課件薄膜熱電致冷編輯課件不同流體的換熱系數(shù)h(W/cm2·℃)h(W/cm2·℃)h(W/cm2·℃)h(W/cm2·℃)

編輯課件相變冷卻（1）編輯課件相變冷卻（2）編輯課件

表1 降低幾種傳熱熱阻的方法導(dǎo)熱熱阻自然對(duì)流熱阻強(qiáng)迫對(duì)流熱阻輻射熱阻接觸熱阻縮短導(dǎo)熱路徑增大導(dǎo)熱面積選導(dǎo)熱系數(shù)大的材料流體流動(dòng)不受阻礙散熱面垂直放置增大散熱面積水平熱面向上液體比氣體好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散熱面積增大黑度增大角系數(shù)增大散熱面積提高溫差增大接觸面積表面光滑平整接觸材料軟增大接觸壓力界面涂導(dǎo)熱劑編輯課件低熱阻散熱器優(yōu)化技術(shù)準(zhǔn)則方程優(yōu)化遺傳算法優(yōu)化編輯課件

表1 降低幾種傳熱熱阻的方法導(dǎo)熱熱阻自然對(duì)流熱阻強(qiáng)迫對(duì)流熱阻輻射熱阻接觸熱阻縮短導(dǎo)熱路徑增大導(dǎo)熱面積選導(dǎo)熱系數(shù)大的材料流體流動(dòng)不受阻礙散熱面垂直放置增大散熱面積水平熱面向上

液體比氣體好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散熱面積增大黑度增大角系數(shù)增大