熱設(shè)計基礎(chǔ)完整版本

產(chǎn)品的熱設(shè)計方法1/31/20241前言為什么要進(jìn)行熱設(shè)計？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—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。

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。2概述熱傳遞的三種方式風(fēng)路的設(shè)計基本方法

產(chǎn)品的熱設(shè)計方法熱設(shè)計的發(fā)展趨勢3熱能傳遞只有3種方式。分別為“傳導(dǎo)”、“對流”及“熱輻射”。請注意，傳導(dǎo)與對流表面文字好像相似，但絕不相同！

下面是熱的三種傳遞方式的形象說明：熱傳遞的三種方式41.傳導(dǎo)傳導(dǎo)是指在物體（固體）中傳播的熱能的傳遞。

例如：鋁和鐵的導(dǎo)熱性都很出色。這就是傳導(dǎo)。

如果用數(shù)值表示導(dǎo)熱性，樹脂為0.2～0.3，鐵為49，鋁為228，銅為386。這些都是指該物質(zhì)的導(dǎo)熱率，單位為“W/（m·℃）”。越容易導(dǎo)熱的物質(zhì)，該數(shù)值越大。

如果用一句話來表述導(dǎo)熱率的含義，即“有一種長1m、斷面積為1m2的材料，其兩端的溫度差為1℃時，會流動多少W”。如果將其單位“W/（m·℃）”寫成

熱傳遞的三種方式52.對流（自然對流/受迫流動）對流是指熱能通過與物體表面接觸的流體，從物體表面向外傳遞的方式。請大家聯(lián)想一下吃熱拉面時的情景。用嘴吹一下，拉面就會變涼。那就是利用熱對流使熱從拉面表面向吹出的空氣傳遞的結(jié)果。

這也可用數(shù)值表示。比如，流體為水，散熱面水平放置時，自然對流就為（2.3～5.8）×100，受迫對流就為（1.2～5.8）×1000，水沸騰時就為（1.2～2.3）×10000。這就是各種情況下的傳熱系數(shù)，單位為“W/（m2·℃）”。

這個單位很容易理解。由于是“W/（面積·溫度差）”，因此它的意思就是“面積為1m2的面與周圍流體的溫度差為1℃時，會從該面?zhèn)鬟f多少W熱量”。

熱傳遞的三種方式6（1）自然對流的傳熱系數(shù)空氣自然對流時的傳熱系數(shù)用下圖的公式求解。這里出現(xiàn)兩個新詞，分別為“姿勢系數(shù)”和“代表長度”。這些是根據(jù)面的形狀及設(shè)置方向定義的。下圖分別顯示了垂直和水平設(shè)置平板時的情況，其他面形狀及設(shè)置方向也各有姿勢系數(shù)及代表長度。

熱傳遞的三種方式我們在做溫度上升實驗時，機器的放置狀態(tài)和最終的實驗結(jié)果是有關(guān)系的！7（2）空氣受迫流動時傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)受散熱面設(shè)置狀況的影響較大。根據(jù)流體的種類、流速及流動方向等，數(shù)值會發(fā)生變化。因此，計算傳熱系數(shù)的公式會根據(jù)不同的情況發(fā)生改變。

比如，有一個溫度均勻的平板，如果在與其平行的方向受迫流動空氣時（受迫對流），可用左圖的公式求出傳熱系數(shù)。從該公式可知以下兩點。

①傳熱系數(shù)與流速的平方根（√）成比例

→流速提高至2倍，傳熱系數(shù)也只提高至1.4倍

②如果冷卻面積相同，流動的距離越長，傳熱系數(shù)越低

→在冷卻面上流動的空氣吸熱后，會在溫度上升的同時繼續(xù)流動，因此冷卻能力會越來越弱

總之，冷卻熱的物體時，與使用強風(fēng)使其冷卻的方法相比，橫向擴大散熱面，使整體通風(fēng)的方法更有效。

熱傳遞的三種方式8熱傳遞的三種方式3.熱輻射輻射是指經(jīng)由紅外線、光及電磁波等從物體表面?zhèn)鬟f的方式。被電爐發(fā)出的紅色光照射后，會感到溫暖。這就是熱輻射。太陽的熱量穿過真空宇宙到達(dá)地球，這也屬于輻射。

輻射中熱量是否易于吸收和放出取決于表面的溫度及顏色等。就顏色大體而言，黑色容易吸放，而白色較難。

如果用數(shù)值來表示，其數(shù)值范圍為0～1。理論上來講，全黑物質(zhì)為1，鋁為0.05～0.5，鐵為0.6～0.9，黑色樹脂為0.8～0.9。這就是熱輻射率（沒有單位）。

此處公開的公式是一個近似式，用于計算設(shè)置在空氣中的物體向周圍的空氣進(jìn)行輻射時傳遞的熱量。物體和空氣的溫度差并不是很大時，可利用該公式準(zhǔn)確計算出結(jié)果。

熱傳遞只有前面提到的3種方式。利用這些公式可計算出“從表面溫度為○○℃的方形箱體表面會向空氣中釋放多少W的熱量”。

至此，總結(jié)了“熱設(shè)計的3條基礎(chǔ)知識”。不論是感覺“公式很難”的人，還是“早就知道”的人，只要了解這3條就足夠了。

9風(fēng)路設(shè)計方法自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計設(shè)計案例10風(fēng)路設(shè)計方法強迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計典型結(jié)構(gòu)11散熱器的設(shè)計方法自然冷卻散熱器的設(shè)計方法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。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。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12散熱器的設(shè)計方法強迫冷卻散熱器的設(shè)計方法

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。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)。在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。13散熱器的設(shè)計方法不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較14熱設(shè)計的計算方法冷卻方式的選擇方法確定冷卻方法的原則

在所有的冷卻方法中應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻，只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時，才考慮其它冷卻。冷卻方式的選擇方法1:根據(jù)溫升在40℃條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。15熱設(shè)計的一般材料一般散熱材料的熱傳導(dǎo)能力。16熱設(shè)計的發(fā)展趨勢熱管技術(shù)計算機CPU用熱管散熱器0.35°C/Wat90wattswith2m/sairflowthermalresistance.45°C/Wat400ft/min17DesktopPC熱設(shè)計的發(fā)展趨勢熱管技術(shù)-熱管的應(yīng)用18熱設(shè)計的發(fā)展趨勢熱管技術(shù)Therma-Base?heatsinks與型材散熱器的比較19熱設(shè)計的發(fā)展趨勢

Internalstructureo