换热器原理与设计第五章电子设备的自然冷却设计ppt课件

第五章第一讲电子设备的自然冷却设计自然冷却包括传导、自然对流和辐射换热。具有平安、可靠、价钱廉价、维修量小等优点，如满足要求应优先选用。自然冷却用印制板的选取自然冷却用印制板的选取 适用于电子设备的印制板的种类较多，为了提高其适用于电子设备的印制板的种类较多，为了提高其传热导热性能，目前常用的有以下几种散热印制线传热导热性能，目前常用的有以下几种散热印制线路板。路板。在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印制板制板5.2印制板上电子元器件的热安装技术印制板上电子元器件的热安装技术 安装在印制板上的元器件的冷却，主要依托导热提安装在印制板上的元器件的冷却，主要依托导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻途径。元供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻途径。元器件与散热印制板的安装方式如以下图所示。竖直放置、器件与散热印制板的安装方式如以下图所示。竖直放置、平行陈列。平行陈列。印制板的合理间距印制板的合理间距 对于对称的等温竖直平行平板，实验结果阐明，两平板的最正确对于对称的等温竖直平行平板，实验结果阐明，两平板的最正确间距为：间距为：1/42.714/optbP式中：式中：P cp 比定压热容，比定压热容，kJ/(kg)；空气平均密度，空气平均密度，kg/m3；g 重力加速度，重力加速度，m/s2；V 体积膨胀系数，体积膨胀系数，-1；t 板与空气的温差，板与空气的温差，；空气的动力粘度，空气的动力粘度，Pas；空气的导热系数，空气的导热系数，W/(m)。2VpcgtLL板高度，米板高度，米 其它情况的最正确间距值如下表所示。其它情况的最正确间距值如下表所示。对于依托自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，对于依托自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应思索气流流向的合理性。应思索气流流向的合理性。对于普通规格的印制板，竖直放置时的外表温升较程度放对于普通规格的印制板，竖直放置时的外表温升较程度放置时小。置时小。竖直安装的印制电路板，最小间距应为竖直安装的印制电路板，最小间距应为19mm，以防止，以防止自然流动的收缩和阻塞。自然流动的收缩和阻塞。上述间距下，在上述间距下，在71的环境中，对于小型印制电路板上的环境中，对于小型印制电路板上热流密度为热流密度为0.0155W/cm2的组件，其外表温度约为的组件，其外表温度约为100即温升约为即温升约为30。自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：0.0155W/cm2。5.2.2自然对流换热外表传热系数计算式第93页表5-2机箱加装散热片n*tD)*L*(2tA5.2.3自然对流的换热网络5.2.4自然冷却开式机箱的热设计开有通风孔5.2.5自然冷却闭式机箱的热设计5.5 电子设备机柜和机壳的设计 采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。以下图所示是电采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。以下图所示是电子设备自然散热的途径。可以看出机壳是接受设备内部热量，并将其子设备自然散热的途径。可以看出机壳是接受设备内部热量，并将其分发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳构造对电子设备的分发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳构造对电子设备的自然冷却显得格外重要。自然冷却显得格外重要。机壳外表的最大热流密度不得超越机壳外表的最大热流密度不得超越0.039W/cm20.039W/cm2。机柜外。机柜外表温度不得高于周围环境温度机房表温度不得高于周围环境温度机房1010。外壳必需与底座和支架有良好的导热衔接。热路中的大外壳必需与底座和支架有良好的导热衔接。热路中的大部分热阻存在于接合交界面处。一切金属间的接触面必部分热阻存在于接合交界面处。一切金属间的接触面必需清洁、光滑，并且接触面积应尽能够大，且应有足够需清洁、光滑，并且接触面积应尽能够大，且应有足够的接触压力。的接触压力。铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为热阻值为6.456.4525.8cm2/W25.8cm2/W。金属厚度以。金属厚度以0.250.250.5cm0.5cm为宜。为宜。机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相顺应，且压机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相顺应，且压降应小于热空气的浮升压力。进气孔的总面积可按下式降应小于热空气的浮升压力。进气孔的总面积可按下式计算：计算：0030.51.52.4 10AHt式中：式中：A0 进风孔面积，进风孔面积，cm2；0 通风孔应散热流量，通风孔应散热流量，W；H 自然冷却设备机箱高度，自然冷却设备机箱高度，cm；t=t2 t1；t2 设备内部空气温度，设备内部空气温度，；t1 设备外部周围环境温度。设备外部周围环境温度。通风孔的布置原那么应使进、出风孔尽量远离，进风通风孔的布置原那么应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口那么应开在孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口那么应开在机箱侧上端接近顶板处。通风孔的外形、大小可根据机箱侧上端接近顶板处。通风孔的外形、大小可根据设备运用场所、电磁兼容性及可靠性要求进展选择、设备运用场所、电磁兼容性及可靠性要求进展选择、布置。布置。机箱或机壳内、外外表涂漆，在接近发热元件的机机箱或机壳内、外外表涂漆，在接近发热元件的机壳顶部、底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件的壳顶部、底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件的温度。温度。第二讲 电子设备强迫空气冷却设计2.1 强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却的热计算2.2 通风机通风机2.3 系统压力损失及计算系统压力损失及计算2.4 强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却系统的设计2.5 通风管道的设计通风管道的设计2.6 强迫空气冷却的机箱和机柜设计强迫空气冷却的机箱和机柜设计2.1 强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对流换热系数确实定。流换热系数确实定。对流换热系数的大小与流体流动的形状层流或紊流、对流换热系数的大小与流体流动的形状层流或紊流、流体的物性参数、换热面的几何外形和位置等有关。流体的物性参数、换热面的几何外形和位置等有关。判别流体流动形状的准那么是雷诺数判别流体流动形状的准那么是雷诺数ReRe。对于管内流动，。对于管内流动，当当Re2200Re2200时，流动属层流；当时，流动属层流；当ReRe104104时，流动属紊流；时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡形状。中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡形状。一、环境的影响一、环境的影响 环境经过对空气物理特性的影响来改动强迫对流换热过程。环境经过对空气物理特性的影响来改动强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数普通不受压力的影响，只需当压力低于空气的导热系数普通不受压力的影响，只需当压力低于0Pa0Pa时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。低而降低。空气的动力粘度空气的动力粘度随温度的升高而增大，而不受压力的随温度的升高而增大，而不受压力的影响。影响。枯燥空气的密度可由下式计算：枯燥空气的密度可由下式计算：152731.2932731.013 10Pt式中：式中：空气密度，空气密度，kg/m3；t 温度，温度，；P1 运用大气压力，运用大气压力，Pa。二、空气吸收的热流量和质量流量二、空气吸收的热流量和质量流量空气吸收的热量可用下式计算：空气吸收的热量可用下式计算：mpq ct 式中：式中：空气吸收的热流量，空气吸收的热流量，W；qm 空气的质量流量，空气的质量流量，kg/s；cp 定压比热，定压比热，J/(kg)；t 空气的温升，空气的温升，。空气的质量流量由下式计算：空气的质量流量由下式计算：mVqq式中：式中：qm 空气的体积流量，空气的体积流量，m3/s；空气密度，空气密度，kg/m3。三、对流换热在电子设备热设计中的运用三、对流换热在电子设备热设计中的运用流体在管内或槽内流动流体在管内或槽内流动 对非圆形截面管道来说，公对非圆形截面管道来说，公式中所用的当量直径为：式中所用的当量直径为：4eAdU式中：式中：A 管道横截面积，管道横截面积，m2；U 湿周长度，湿周长度，m。空气以湍流形状流经管道空气以湍流形状流经管道擦过圆柱体或导线表擦过圆柱体或导线表5-55-5，120120页页 流过球体流过球体0.75e0.055RL0.8e0.0198RD平行于平面或板平行于平面或板mReDb0.6e0.33RDRe在400-1500的层流，带散热片的冷板和热交换器的传热因子7.0Re72.0j2.2 通风机 通风机可分为离心式以下图通风机可分为离心式以下图(a)(a)和轴流式以下图和轴流式以下图(b)(b)两类。两类。通风机的选择主要取决于以下要素：空气流量、压力大通风机的选择主要取决于以下要素：空气流量、压力大小、效率、流速、空气管道系统、噪音及通风机特性等。小、效率、流速、空气管道系统、噪音及通风机特性等。一、离心式风机一、离心式风机 离心式风机的特点是离心式风机的特点是风压较高，普通用于阻力风压较高，普通用于阻力较大发热元器件或机柜的较大发热元器件或机柜的冷却。冷却。离心式风机按叶轮的叶片外形可分为前弯式、径向式和后弯离心式风机按叶轮的叶片外形可分为前弯式、径向式和后弯式三种，如上图所示。式三种，如上图所示。在给定的转速和尺寸条件下，前弯式的风压最大，出口风速高，相在给定的转速和尺寸条件下，前弯式的风压最大，出口风速高，相对构造紧凑、质量小，但压损大，风机效率不高，在运用时应防止电对构造紧凑、质量小，但压损大，风机效率不高，在运用时应防止电机过载。后弯式相反。机过载。后弯式相反。在设备较小而要求的风压比较大的情况下，应采用前弯式通风机。在设备较小而要求的风压比较大的情况下，应采用前弯式通风机。二、轴流式风机二、轴流式风机 轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其构造方式轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其构造方式可分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力可分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最小，普通用于空气循环安装。圆筒式和导叶式用于中、低最小，普通用于空气循环安装。圆筒式和导叶式用于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。三、风机性能三、风机性能主要性能参数：风量、风压、功率和效率主要性能参数：风量、风压、功率和效率风压：全压扬程风压：全压扬程,动压动压+静压，动压动能，静压，动压动能，静压相对压力，皮托管全压和静压静压相对压力，皮托管全压和静压功率：风量功率：风量风压风压效率：风机功率轴功率效率：风机功率轴功率三、通风机特性曲线三、通风机特性曲线 通风机特性曲线是指通风机在通风机特性曲线是指通风机在某一固定转速下任务时，静压、效某一固定转速下任务时，静压、效率和功率随风量而变化的关系曲线。率和功率随风量而变化的关系曲线。其中风量与静压关系曲线最为常用。其中风量与静压关系曲线最为常用。上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。特性曲线中存在一上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。特性曲线中存在一效率最高的点，当通风机任务在该点附近时，这就需求选择最正效率最高的点，当通风机任务在该点附近时，这就需求选择最正确通风机，以便满足空气流量和静压的要求。确通风机，以便满足空气流量和静压的要求。四、系统阻力特性与通风机任务点确实定四、系统阻力特性与通风机任务点确实定 通风机的总压力是用来抑制系统或通风管道的阻力通风机的总压力是用来抑制系统或通风管道的阻力的，并在出口处构成一定的速度头。系统或通风管道的的，并在出口处构成一定的速度头。系统或通风管道的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比。流量的平方成正比。右图中，右图中，、三三条曲线分别代表不同系统条曲线分别代表不同系统风道的特性曲线。系统风道的特性曲线。系统阻力特性曲线与通风机阻力特性曲线与通风机的特性曲线的交点就是该通的特性曲线的交点就是该通风机的任务点。风机的任务点。五、通风机的选择五、通风机的选择 选择通风机时应思索的要素包括：风量、风压静压、选择通风机时应思索的要素包括：风量、风压静压、效率、空气流速、系统风道阻力特性、运用环境条件、噪效率、空气流速、系统风道阻力特性、运用环境条件、噪声以及体积、分量等，其中风量和风压是主要参数。声以及体积、分量等，其中风量和风压是主要参数。根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。定风机的类型。当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，那么选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据反之，那么选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据任务点来选择详细的型号和尺寸。任务点来选择详细的型号和尺寸。通风机任务时的噪音应控制在一定范围之内。通风机任务时的噪音应控制在一定范围之内。六、通风机的串联和并联运用六、通风机的串联和并联运用 当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可思索通当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可思索通风机的串联或并联方式。风机的串联或并联方式。通风机的串联运用通风机的串联运用 当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联的任务方式。两只通风机串联的任务方式。通风机串联后总风量根本上是每台风机的风量略有添加，总通风机串联后总风量根本上是每台风机的风量略有添加，总风压为一样风量下两台通风机风压相加。风压为一样风量下两台通风机风压相加。因此当风道特性曲线比较陡时，即风道阻力较大时，可采用串联方式。因此当风道特性曲线比较陡时，即风道阻力较大时，可采用串联方式。通风机的并联运用通风机的并联运用 通风机并联运用时，其风压比单个风机的风压稍有通风机并联运用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而总风量是各通风机风量之和。提高，而总风量是各通风机风量之和。当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联络统。当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联络统。风机的合理安装叶轮安装位置对气流的影响，第110页图5-16七、通风机的噪声七、通风机的噪声 选择电子设备冷却用的通风机时，噪声是应重点思索的要选择电子设备冷却用的通风机时，噪声是应重点思索的要素之一。普统统风机的叶尖假设以高的线速度任务时，并且所素之一。普统统风机的叶尖假设以高的线速度任务时，并且所产生的静压在产生的静压在500Pa以上，那么通风机所产生的噪声将随转速的以上，那么通风机所产生的噪声将随转速的提高而增大。提高而增大。对通风机进展动平衡和静平衡设计，隔震和流线型设计等都对通风机进展动平衡和静平衡设计，隔震和流线型设计等都可以降低噪声。可以降低噪声。噪声级可按下式计算：噪声级可按下式计算：2150lgnnLn式中：式中：Ln 噪声级，噪声级，dB；n1、n2 转速，转速，s-1。2.3 系统压力损失及计算 系统压力损失也称压降包括两部分：系统压力损失也称压降包括两部分：沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失。之间的摩擦引起，也称为静压损失。部分压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、部分压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。一、沿程压力损失一、沿程压力损失22levlpfd式中：式中：pl 沿程压力损失，沿程压力损失，Pa；v 空气平均流速，空气平均流速，m/s；f 沿程阻力系数；沿程阻力系数；空气密度，空气密度，kg/m3；l 管道长度，管道长度，m；de 当量直径，当量直径，m。对于光滑的管道，其沿程阻力系数对于光滑的管道，其沿程阻力系数f只是只是Re的函数，可用以的函数，可用以下公式计算：下公式计算：a.层流时：层流时：64/Refb.紊流且紊流且Re105时：时：0.250.3164Refc.紊流且紊流且105 Re3 106时：时：0.20.184Ref 对于粗糙管道，沿程阻力系数对于粗糙管道，沿程阻力系数f是是Re及管壁相对粗糙度的函及管壁相对粗糙度的函数，可由以下图查得。数，可由以下图查得。常用管道的绝对粗糙度常用管道的绝对粗糙度(mm)如下表所示。如下表所示。二、管道部分压力损失二、管道部分压力损失 当流体的速度和方向发生变化时所引起的部分压力损失由下式当流体的速度和方向发生变化时所引起的部分压力损失由下式计算：计算：22cvp式中：式中：pc 部分压力损失，部分压力损失，Pa；部分阻力损失系数之和，其值如下各表所示；部分阻力损失系数之和，其值如下各表所示；空气密度，空气密度，kg/m3；v 空气平均流速，空气平均流速，m/s。三、压力损失计算的根本类型三、压力损失计算的根本类型知流速、长度、直径、粘度及粗糙度求压力损失。在知流速、长度、直径、粘度及粗糙度求压力损失。在电子设备冷却系统的设计中，这是最常见的问题。在电子设备冷却系统的设计中，这是最常见的问题。在这类问题中，流速是由所需求的冷却量确定的；这类问题中，流速是由所需求的冷却量确定的；知压力损失、长度、直径、粘度及粗糙度求流量。在电知压力损失、长度、直径、粘度及粗糙度求流量。在电子设备冷却系统的设计中，普通没有这种情况，由于流子设备冷却系统的设计中，普通没有这种情况，由于流量总是由散热量确定的；量总是由散热量确定的；知压力损失、流量、长度、粘度及粗糙度求直径。例知压力损失、流量、长度、粘度及粗糙度求直径。例如利用一台给定的鼓风机，这时管道尺寸将由允许的如利用一台给定的鼓风机，这时管道尺寸将由允许的压降来确定。压降来确定。2.4 强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却系统设计的步骤包括：强迫空气冷却系统设计的步骤包括：1.1.根据散热要求，确定冷却空气入口和出口的温度引荐低根据散热要求，确定冷却空气入口和出口的温度引荐低于于7070度和压力；度和压力；2.2.根据可靠性要求确定每个元器件的最高允许温度或温升根据可靠性要求确定每个元器件的最高允许温度或温升3.3.根据电性能和空间位置以及冷却功率的要求确定元器件的根据电性能和空间位置以及冷却功率的要求确定元器件的陈列和布置方式；陈列和布置方式；4.4.确定雷诺数；确定雷诺数；5.5.根据系统的构造尺寸和雷诺数，计算空气流过每个电子元根据系统的构造尺寸和雷诺数，计算空气流过每个电子元器件或元器件组的质量流量或体积流量；器件或元器件组的质量流量或体积流量；6.6.计算系统的总压力损失及需求的冷却功率。计算系统的总压力损失及需求的冷却功率。一、电子元器件的风冷设计一、电子元器件的风冷设计 大功率晶体管的外外表积不够大，不能满足直接强迫大功率晶体管的外外表积不够大，不能满足直接强迫空气冷却，必需采用扩展外表的散热器。空气冷却，必需采用扩展外表的散热器。大规模集成电路的功率密度比较大，可以采用直接强大规模集成电路的功率密度比较大，可以采用直接强迫空气冷却。应使其一个平面暴露在流速较高的风道中进迫空气冷却。应使其一个平面暴露在流速较高的风道中进展冷却。展冷却。电阻器成组安装时，它们之间的空隙应尽能够地大。电阻器成组安装时，它们之间的空隙应尽能够地大。当电阻器装在一块垂直板或底座上时，电阻器的轴线必需当电阻器装在一块垂直板或底座上时，电阻器的轴线必需垂直。当电阻器轴线呈程度方向时，电阻器必需叉排，以垂直。当电阻器轴线呈程度方向时，电阻器必需叉排，以提高其紊流程度和冷却效果。提高其紊流程度和冷却效果。电子设备用的变压器和电感器内热阻很大，因此采用电子设备用的变压器和电感器内热阻很大，因此采用强迫风冷时，变压器与散热器之间应具有低热阻的传热途强迫风冷时，变压器与散热器之间应具有低热阻的传热途径。径。二、稳流器二、稳流器 强迫空气冷却时，就部分冷却而言，紊流比层流的效强迫空气冷却时，就部分冷却而言，紊流比层流的效果要好。果要好。强迫空气冷却的设备强迫空气冷却的设备应保证紊流出如今接近发应保证紊流出如今接近发热器件的外表，其措施是热器件的外表，其措施是适当地使热源相互接近，适当地使热源相互接近，或者接近管道壁使间隔间或者接近管道壁使间隔间隙减少，或者加装稳流器隙减少，或者加装稳流器以便添加其紊流程度。右以便添加其紊流程度。右图图(a)(a)是在垂直于气流方是在垂直于气流方向上装一个稳流器，图向上装一个稳流器，图(b)(b)是在热源前放一横排小棒是在热源前放一横排小棒的稳流器。的稳流器。三、印制板组件的强迫空气冷却三、印制板组件的强迫空气冷却 当不允许冷却空气和器当不允许冷却空气和器件外表直接接触时，可以把件外表直接接触时，可以把印制板组件背靠背构成一个印制板组件背靠背构成一个空芯冷却空气通道进展冷却。空芯冷却空气通道进展冷却。如右图所示。如右图所示。空芯印制板风冷设计的空芯印制板风冷设计的主要问题是密封。主要问题是密封。风道类型 113页1射流式5-192程度5-203变截面5-214隔板式5-222.5 通风管道的设计尽量采用短而直风道保送空气尽量采用短而直风道保送空气防止采用急剧拐弯和弯曲的风道。可采用气体分别防止采用急剧拐弯和弯曲的风道。可采用气体分别器和导流器，以减小阻力损失器和导流器，以减小阻力损失防止骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不得超越防止骤然扩展或骤然收缩。扩展的张角不得超越2020，收缩的锥角不得大于收缩的锥角不得大于6060尽量使矩形管道接近于正方形。矩形管道长边与短边尽量使矩形管道接近于正方形。矩形管道长边与短边之比不得大于之比不得大于6:16:1尽量使管道密封。一切搭接都应顺着流动方向尽量使管道密封。一切搭接都应顺着流动方向应采用光滑资料制造管道，以减小摩擦损失应采用光滑资料制造管道，以减小摩擦损失2.6 强迫空气冷却的机箱和机柜设计进气孔应设置在机箱下侧或底部。紧靠的系列机柜的进气孔应设置在机箱下侧或底部。紧靠的系列机柜的进气孔应开在机柜的前下侧进气孔应开在机柜的前下侧排气孔应设置在接近机箱的顶部。机箱上端边缘是首排气孔应设置在接近机箱的顶部。机箱上端边缘是首先选择的位置先选择的位置应使冷却空气从热源中间流过，防止气流短路应使冷却空气从热源中间流过，防止气流短路进气孔应设置过滤网。并思索过滤网的阻力损失进气孔应设置过滤网。并思索过滤网的阻力损失抽风比鼓风好抽风比鼓风好