第二讲电子设备热设计方法课件

一热源和耗散功率 电子设备只要通电就有发热，是热源，其产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发热功率）是热设计的基础。可以采用试验和理论计算来确定。一般都增加安全系数，保守取值，适当取高些。热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温度和最大热耗散的情况下设计。耗散功率计算：P=VI理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件厂家提供的。第15-19页1有源器件2无源器件有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有可能温度会超过元器件工作温度。因此有必要人为构造散热途径。比如电加热器烧干。接下来我们看看散热是怎么回事。热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射一、导热一、导热导热的微观机理导热的微观机理 气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。导热基本定律导热基本定律傅立叶定律（一维导傅立叶定律（一维导热）热）式中：式中：热流量，热流量，W；导热系数，导热系数，W/(m)；A 垂直与热流方向的横截面面积垂直与热流方向的横截面面积，m2；x方向的温度变化率，方向的温度变化率，/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。反。Q图图 导热热阻的图示导热热阻的图示 t0 x dxdtQ导热热阻导热热阻单位面积导热热单位面积导热热阻阻无限大平板一维导热无限大平板一维导热单层圆筒壁的导热单层圆筒壁的导热长度为长度为 l 的圆筒壁的圆筒壁的导热热阻的导热热阻实实际际固固体体表表面面不不是是理理想想平平整整的的，所所以以两两固固体体表表面面直直接接接接触触的的界界面面容容易易出出现现点点接接触触，或或者者只只是是部部分分的的而而不不是是完完全全的的和和平平整整的的面面接触接触 给导热带来额外的热阻给导热带来额外的热阻接触热阻接触热阻减小散热器与器件之间的接触热阻减小散热器与器件之间的接触热阻 影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或参考实测数据来选择接触热阻。参考实测数据来选择接触热阻。表表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。为某些典型接触面的接触热阻值。半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可参考表参考表2-4查取。查取。工程中常用的减小接触热阻的主要措施：工程中常用的减小接触热阻的主要措施：加大接触表面之间的加大接触表面之间的压力压力；提高两个接触面的提高两个接触面的加工精度加工精度；接触表面之间加接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏导热衬垫或导热脂、导热膏等；等；在在结构强度许可的条件下，选用软的金属材结构强度许可的条件下，选用软的金属材料料制作散热器或器件的壳体。制作散热器或器件的壳体。二、对流二、对流可分为自然对流和强迫对流两大类可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却公式计算对流换热采用牛顿冷却公式计算式中：式中：hc 对流换热系数，对流换热系数，W/(m2)；A 对流换热面积，对流换热面积，m2；tw 热表面温度，热表面温度，；tf 冷却流体温度，冷却流体温度，。对对流换热热阻：流换热热阻：强制对流自然对流柯尔朋传热因子紧凑式换热面表面换热系数计算一、自然对流换热的准则方程一、自然对流换热的准则方程式中：式中：Nu 努谢尔特数，努谢尔特数，Nu=hD/；Ra 瑞利数，瑞利数，Ra=GrPr；Gr 格拉晓夫数，格拉晓夫数，Gr=g2D3t/2；Pr 普朗特数；普朗特数；C、n 由表由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；h 自然对流换热系数，自然对流换热系数，W/(m2)；D 特征尺寸，特征尺寸，m；流体的导热系数，流体的导热系数，W/(m)；流体的体积膨胀系数，流体的体积膨胀系数，-1；g 重力加速度，重力加速度，m/s2；流体的密度，流体的密度，kg/m3；流体的动力粘度，流体的动力粘度，Pas；t 换热表面与流体的温差，换热表面与流体的温差，。二、自然对流换热的简化计算二、自然对流换热的简化计算 对对在海平面采用空气自然冷却在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器的多数电子元器件或小型设备件或小型设备(任意方向的尺寸小于任意方向的尺寸小于600mm)，可以，可以采用以下简化公式进行计算采用以下简化公式进行计算式中：式中：热流密度，热流密度，W/m2；A 换热面积，换热面积，m2；C 系数，由表系数，由表2-1查得；查得；D 特征尺寸，特征尺寸，m；t 换热表面与流体（空气）的温差，换热表面与流体（空气）的温差，。表表2-1 自自然然对对流流准准则则方方程程中中的的C和和n值值强迫对流换热的准则方程强迫对流换热的准则方程管内流动及沿平板流动的准则方程管内流动及沿平板流动的准则方程管内受迫流动换热管内受迫流动换热 管内受迫流动的特征表现为：流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响。入口段：入口段管内流动换热系数是不稳定的，所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正。在紊流时，如果管长与管内径之比L/d50则可忽略入口效应，实际上多属于此类情况。弯管修正 其他关联式 管内受迫层流换热准则式：Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 v流动阻力流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响，使流体在流动过程中受到阻力，这个阻力称为流动阻力，可分为沿程阻力和局部阻力两种。沿程阻力沿程阻力：在边界沿程不变的区域，流体沿全部流程的摩檫阻力。局部阻力局部阻力：在边界急剧变化的区域，如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置，是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。管内层流沿程阻力计算(达西公式)hf=(L/de)(V2/2)沿程阻力系数，64/Re 管内紊流沿程阻力计算 hf=(L/de)(V2/2)f(Re，/d)，即紊流时沿程阻力系数不仅与雷诺数有关，还与相对粗糟度有关。尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验得出了沿程阻力系数的经验公式：紊流光滑区：4000Re105,采用布拉修斯公式计算：0.3164/Re 0.25非园管道沿程阻力的计算 引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园管，只需把园管直径换成当量水力直径。de=4A/x局部阻力 hjV2/2 局部阻力系数 突然扩大：按小面积流速计算的局部阻力系数：1(1-A1/A2)按大面积流速计算的局部阻力系数：2(1-A2/A1)突然缩小：可从相关的资料中查阅经验值。三、辐射三、辐射辐射能以电磁波的形式传递辐射能以电磁波的形式传递任意物体的辐射能力可用下式计算任意物体的辐射能力可用下式计算式中：式中：物体的表面黑度；物体的表面黑度；0 斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常数，玻尔兹曼常数，5.6710-8 W/(m2K4)；A 辐射表面积，辐射表面积，m2；T 物体表面的热力学温度，物体表面的热力学温度，K。图图 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射换热辐射换热计算方程辐射换热计算方程两物体表面之间的辐射换热计算公式为：两物体表面之间的辐射换热计算公式为：式中：式中：T1、T2 物体物体1和物体和物体2表面的绝对温度，表面的绝对温度，K；1、2 物体物体1和物体和物体2的表面黑度；的表面黑度；xt 系统黑度；系统黑度；A 物体辐射换热表面积，物体辐射换热表面积，m2；F12 两物体表面的角系数。两物体表面的角系数。c.辐射换热网络法辐射换热网络法任意两表面间的辐射网络如下图所示：任意两表面间的辐射网络如下图所示：图中图中Eb1和和Eb2分别代表同温度下的表面分别代表同温度下的表面1和表面和表面2的黑体的黑体辐射力；辐射力；J1和和J2分别为表面分别为表面1和表面和表面2的有效辐射。的有效辐射。2 传热方程传热的基本计算公式为：传热的基本计算公式为：式中：式中：热流量，热流量，W；传热系数，传热系数，W/(m2)；A 传热面积，传热面积，m2；t 热流体与冷流体之间的温差，热流体与冷流体之间的温差，。热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射传热过程和传热系数传热过程和传热系数1 1 传热过程的定义：传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热两流体间通过固体壁面进行的换热2 2 传热过程包含的传热方式：传热过程包含的传热方式：导热、对流、热辐射导热、对流、热辐射辐射换热、辐射换热、对流换热、对流换热、热传导热传导图墙壁的散热图墙壁的散热3 3 一维稳态传热过程中的热量传递一维稳态传热过程中的热量传递图一维稳态传热过程图一维稳态传热过程忽略热辐射换热，则忽略热辐射换热，则左侧对流换热热阻左侧对流换热热阻固体的导热热阻固体的导热热阻右侧对流换热热阻右侧对流换热热阻上面传热过程中传递的热量为：上面传热过程中传递的热量为：(1-10)传热系数传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。不是物性参数，与过程有关。传热系数传热系数单位热阻或面积热阻单位热阻或面积热阻热电模拟热电模拟网络热电模拟网络 利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源恒温热源等效于理想的恒压源。恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉热沉等效于等效于“接地接地”，所有的热源和热回路均与其，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。相连接，形成热电模拟网络。热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中通常为设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。的空气、液体等冷却剂。传热路径传热路径 热流量经传热路径至最终的部位，通称为热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉热沉”，它的温，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热度不随传递到它的热量大小而变，即相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的环境。处的环境。热阻的确定热阻的确定确定热阻的步骤确定热阻的步骤a.根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高允许温度允许温度b.确定设备或冷却剂的确定设备或冷却剂的最高环境温度最高环境温度c.根据上述两条规定，确定每个元器件的根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升允许温升d.确定每个元器件冷却时确定每个元器件冷却时所需的热阻所需的热阻热阻的计算热阻的计算式中式中Rt 为整个传热面积上的热阻，为整个传热面积上的热阻，/W。a.平壁导热热阻平壁导热热阻：b.对流换热热阻对流换热热阻：3冷却方法的选择3.1冷却方法的分类3.2冷却方法的选择3.3冷却方法选择示例3.1 冷却方法的分类按冷却剂与被冷元件之间的按冷却剂与被冷元件之间的配置关系配置关系a.直接冷却直接冷却b.间接冷却间接冷却按传热机理按传热机理a.自然冷却自然冷却（包括（包括导热、自然对流和辐射换热导热、自然对流和辐射换热的单独的单独 作用或两种以上作用或两种以上 换热形式的组合）换热形式的组合）b.强迫冷却强迫冷却（包括（包括强迫风冷和强迫液体冷却强迫风冷和强迫液体冷却等）等）c.蒸发冷却蒸发冷却d.热电致冷热电致冷e.热管传热热管传热f.其它冷却方法其它冷却方法v冷却方式的选择方法确定冷却方法的原则 在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满足散热要求时，才考虑其它冷却。冷却方式的选择方法1:根据温升在40条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式，具有一定的局限性，如图1所示。根据温升在40条件下各种冷却方式的热流密度3.2 冷却方法的选择根据温升在40条件下各种冷却方式的体积功率密度值的范围二、二、冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下图关系进行选择图关系进行选择。这种方法适用于温升要求不同。这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却的各类设备的冷却三、设备内部的散热方法应使三、设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。四、四、利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。在安装密度较高的设备内部难以满足要求。五、大多数五、大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的最大热流密度为自然对流冷却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。有些高温元器件的热流密度可高达有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子若电子元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散热器时，就可以采用强迫空气冷却。热器时，就可以采用强迫空气冷却。七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器件件 或设备。或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件相直接液体冷却要求冷却剂与元器件相容，其典型热阻为每平方厘米容，其典型热阻为每平方厘米1.25/W。直接强直接强迫液体冷却的热阻为每平方厘米迫液体冷却的热阻为每平方厘米0.03/W。八、直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设八、直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设备或元器件，其备或元器件，其热阻值为每平方厘热阻值为每平方厘0.006/W。九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重量大、效率低。量大、效率低。十、热管是一种传热效率很高的十、热管是一种传热效率很高的传热器件传热器件，其传，其传热性能比相同的金属导热要热性能比相同的金属导热要高几十倍高几十倍，且两端，且两端的温差很小。的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减应用热管时，主要问题是如何减小热管两端接触界面上的热阻小热管两端接触界面上的热阻。3.3 冷却方法选择示例 功耗为功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个的电子组件，拟将其装在一个248mm381mm432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？体积功率密度体积功率密度：面积热流密度面积热流密度：由于由于V很小，很小，根据图1查得，当t=40，q=0.04W/cm2时，其交点正好落在自然冷却范围内，所有采用自然冷却方法就可以满足要求，因此不需要，因此不需要采取特殊冷却方法，依靠空气的自然对流散热就足够了。采取特殊冷却方法，依靠空气的自然对流散热就足够了。由图由图1可知，可知，若采用强迫风冷，热流密度为若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷，因此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到时，可以把机柜表面积减小到0.1m2（自然冷却所需的面积为（自然冷却所需的面积为0.75m2）。）。若设备的温升有严格限制，假设只允许10，由图2可以看出，需强迫风冷才能满足要求。稳态传热一般情况下，稳态设计瞬态传热周期性条件交变，急速过程，开关机可能造成设备热冲击损坏。等等热设计步骤1.熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备（或元确定设备（或元器件）、散热面积器件）、散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。度范围。2.确定可利用的确定可利用的冷却技术和限制条件冷却技术和限制条件。3.对每个元器件对每个元器件进行应力分析进行应力分析，并，并根据设备可靠性及分配给根据设备可靠性及分配给每个器件的失效率每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度。确定确定每个器件的最高允许温度。确定每个发热元器件的功耗。每个发热元器件的功耗。4.画出热电模拟网络图画出热电模拟网络图。5.由元器件的内热阻确定其最高表面温度由元器件的内热阻确定其最高表面温度。6.确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。7.根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。8.对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能够达到这些要求。够达到这些要求。9.选择使用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。选择使用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。10.估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对 比，以便找到最佳方案。比，以便找到最佳方案。11.热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电 磁兼容设计磁兼容设计。1.2 热设计应考虑的问题应对冷却方法进行权衡分析应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周使设备的寿命周期费用降至最低，而可用性最高期费用降至最低，而可用性最高热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性可维修性设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继续工作的能力续工作的能力对于强迫空气冷却，对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口它设备热空气的出口，以免过热以免过热舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作下工作；机载设备宜采用间接冷却机载设备宜采用间接冷却应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应，应有相应的防护措施有相应的防护措施应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的措施等沉积物和其它老化的措施，以免增大设备的，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果有效热阻，降低冷却效果应应尽量防止尽量防止由于工作周期、由于工作周期、功率变化功率变化、热环境热环境变化以及冷却剂温度变化变化以及冷却剂温度变化引起的引起的热瞬变热瞬变，使器，使器件的温度波动减小到最低程度件的温度波动减小到最低程度应选择无毒性的冷却剂应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相接触的表面相容，不产冷却剂应与元器件及相接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应生腐蚀和其它化学反应 Thank you拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗 拯畏怖汾关炉烹霉躲渠早膘岸缅兰辆坐蔬光膊列板哮瞥疹傻俘源拯割宜跟三叉神经痛-治疗三叉神经痛-治疗