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产品的热设计方法

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标签: 热设计

热设计

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为什么要进行热设计?
产品的热设计方法
介绍
高温对电子产品的½响:绝缘性½退化;元器件损坏;材料的热老化;½熔点焊缝开裂、焊点脱½。
温度对元器件的½响:一般而言,温度升高电阻阻值降½;高温会降½电容器的½用寿½;高温会½变压器、
扼流圈绝缘材料的性½下降, 一般变压器、扼流圈的允许温度要½于95C;温度过高还会造成焊点合金结构
的变化—IMC增厚,焊点变脆,机械强度降½;结温的升高会½晶½管的电流放大倍数迅速增加,导致集电
极电流增加,又½结温进一步升高,最终导致元件失效。
介绍
热设计的目的
控制产品内部所有电子元器件的温度,
½其在所处的 工½环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温
度。
最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的
失效率相一致。
在本次讲座中将学到那些内容
风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计
的½响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势。
授课内容
风路的设计方法
20分钟
产品的热设计计算方法
40分钟
风扇的基本定律及噪音的评估方法
20分钟
海拔高度对热设计的½响及解决对策
20分钟
热仿真技术、热设计的发展趋势
50分钟
概述
风路的设计方法 :通过典型应用案例,让学员掌握风路布局的原则及方法。
产品的热设计计算方法 :通过实例分析,了解散热器的校核计算方法、风量的计算方法、通风口的大小的
计算方法。
风扇的基本定律及噪音的评估方法:了解风扇的基本定律及应用;了解噪音的评估方法。
海拔高度对热设计的½响及解决对策:
了解海拔高度对风扇性½的½响、
海拔高度对散热器及元器件的½响,
了解在热设计如½考虑海拔高度对热设计准确度的½响。
热仿真技术:了解热仿真的目的、要求,常用热仿真½件介绍。
热设计的发展趋势:了解最新散热技术、了解新材料。
风路设计方法
自然冷却的风路设计
设计要点
机柜的后门(面板)不须开通风口。
底部或侧面不½漏风。
应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。
机柜上部的监控及配电不½阻塞风道,应保证上下具有大致相等的空间。
对散热器采用直½的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放½,即½½应垂直于水平面。对散热器
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采用斜½的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。
风路设计方法
自然冷却的风路设计
设计案例
风路设计方法
自然冷却的风路设计
典型的自然冷机柜风道结构½式
风路设计方法
强迫冷却的风路设计
设计要点
如果发热分布均匀, 元器件的间距应均匀,以½风均匀流过每一个发热源.
如果发热分布不均匀,在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件布局应稍密些,或加
导流条,以½风½有效的流到关键发热器件。
如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件,应在模块内部采用阻流方法,½大部分的风量流入散
热器。
进风口的结构设计原则:一方面½量½其对气流的阻力最小,另一方面要考虑防尘,需综合考虑二者的½响。
风道的设计原则
风道½可½短,缩短管道长度可以降½风道阻力;
½可½采用直的锥½风道,直管加工容易,局部阻力小;
风道的截面尺寸和出口½状,风道的截面尺寸最½和风扇的出口一致,以避免因变换截面而增加阻力损
失,截面½状可为园½,也可以是正方½或长方½;
风路设计方法
强迫冷却的风路设计
典型结构
风路设计方法
强迫冷却的风路设计
电源系统典型的风道结构-吹风方式
风路设计方法
热设计的基础理论
自然对流换热
大空间的自然对流换热
N
u
=C(G
r
.P
r
)
n
.
定性温度: t
m
=(t
f
+t
w
)/2
定型尺寸按及指数按下表选取
热设计的基础理论
自然对流换热
有限空间的自然对流换热
垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况:
(1)
在夹层内冷热壁的两股流道边界层½够相互结合,½成环流;
(2)
夹层厚度δ与高度之比δ/h>0.3时,冷热的自然对流边界层不会相互干扰,也不会出现环流,可按
大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热;
(3)
冷热壁温差及厚度均较小,以厚度为定型尺寸的Gr=(Bg△t δ
3
)/υ
3
<2000时,通过夹层的热量可按
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纯导热过程计算。
自然对流换热
热设计的基础理论
有限空间的自然对流换热
水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况:
(1) 热面朝上,冷热面之间无流动发生,按导热计算;
(2) 热面朝下,对气½Gr.Pr<1700,按导热计算;
(3) 有限空间的自然对流换热方程式:
m
n
N
u
=C(G
r
.P
r
) (δ/h)
定型尺寸为厚度δ,定性温度为冷热壁面的平均温度T
m
=(t
w1
+t
w2
)
热设计的基础理论
流½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½流速、管子入口段及温度场等因素对换热的½响。
入口段:流½从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才½够在管中心汇合,这时管断面流
速分布及流动状态才达到定型。这段距离称为入口段。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/d>50则可½略入口效应,实际上多
属于此类情况。
管内受迫层流换热准则式:
N
u
=0.15R
e0.33
P
r0.43
G
r0.1
(P
r
/P
rw
)
0.25
管内受迫紊流换热准则式:
t
w
>t
f
N
u
=0.023R
e0.8
P
r0.4.
t
w
<t
f
N
u
=0.023R
e0.8
P
r0.3
热设计的基础理论
流½动力学基础
流量与断面平均流速
流量:单½时间内流过过流断面的流½数量。如数量以½积衡量称为½积流量Q;单½为m
3
/s(CFM);
如数量用重量衡量称为重量流量G,单½为Kg/s。二者的关系为:
G=γQ
断面平均流速:由于流½的粘性,过流断面上各点的流速分布不均匀,根据流量相等原则所确定的均匀
流速称为断面平均流速。单½m/s(CFM)
V=Q/A
湿周与水力半径
湿周:过流断面上流½与固½壁面相接触的周界长度。用x表示,单½m。
水力半径:总流过过流断面面积A与湿周x之比称为水力半径,应符号R表示,单½M。
恒定流连续性方程
对不可压缩流½:V
1
A
1
=V
2
A
2
.
对可压缩流½ : ρ
1
V
1
A
1
1
V
2
A
2
热设计的基础理论
流½动力学基础
恒定流½量方程
对理想流½:Z+p/γ+v
2
/2g=常数
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实际流½:由于粘性½为会引起流动阻力,流½阻力与流½流动方向相反½负功,½流½的总½量不断
衰减,每个断面的Z+p/y+v
2
/2g≠常数,假设流½从断面1到断面2的½量损失为h
w
,则元流的½量方程式为:
Z
1
+p
1
/γ+v
12
/2g=Z
2
+p
2
/γ+v
22
/2g+h
w
热设计的基础理论
流½动力学基础
流½流动的阻力:由于流½的粘性和固½边界的½响,
½流½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:在边界沿程不变的区域,流½沿全部流程的摩檫阻力。
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½½,是流½的流½状
态发生急剧变化而产生的流动阻力。
层流、紊流与雷诺数
层流:流½质点互不混杂,有规则的层流运动。
R
e
=Vd
e
/½<2300
层流
紊流:流½质点相互混杂,无规则的紊流运动。
显然层流状态下只存在粘性引起的摩檫阻力,而紊流状态下除摩檫阻力外还存在由于质点相互碰撞、混
杂所造成的惯性阻力,因此紊流的阻力较层流阻力大的多。
R
e
=Vd
e
/½<2300
紊流
热设计的基础理论
流½动力学基础
管内层流沿程阻力计算(达西公式)
h
f
=λ(L/d
e
)(ρV
2
/2)
λ-沿程阻力系数,λ=64/Re
管内紊流沿程阻力计算
h
f
=λ(L/d
e
)(ρV
2
/2)
λ=f(R
e
,ε/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ε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:4000<Re<10
5
,
λ采用布拉修斯公式计算:
0.25
λ=0.3164/R
e
热设计的基础理论
流½动力学基础
非园管道沿程阻力的计算
引入½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½量水力直径。
d
e
=4A/x
局部阻力
h
j
=ξρV
2
/2
ξ-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:ζ
1
=(1-A
1
/A
2
)
按大面积流速计算的局部阻力系数:ζ
2
=(1-A
2
/A
1
)
突然缩小: 可从相关的资料中查阅经验值。
散热器的设计方法
散热器冷却方式的判据
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对通风条件较½的场合:散热器表面的热流密度小于0.039W/cm
2
,可采用自然风冷。
对通风条件较恶劣的场合:散热器表面的热流密度小于0.024W/cm
2
,可采用自然风冷。
散热器强迫风冷方式的判据
对通风条件较½的场合,散热器表面的热流密度大于0.039W/cm
2
而小于0.078W/cm
2
,必须采用强迫风冷。
对通风条件较恶劣的场合:
散热器表面的热流密度大于0.024W/cm
2
而小于0.078W/cm
2
,必须采用强迫风冷。
散热器的设计方法
散热器设计的步骤
通常散热器的设计分为三步
1:根据相关约束条件设计处½廓图。
2:根据散热器的相关设计准则对散热器½厚、½的½状、½间距、基板厚度进行优化。
3:进行校核计算。
散热器的设计方法
自然冷却散热器的设计方法
考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果½间距太小,两个½的热边界层易交叉,½响½表面的对流,所以
一般情况下,建议自然冷却的散热器½间距大于12mm,如果散热器½高½于10mm,可按½间距≥1.2倍½高
来确定散热器的½间距。
自然冷却散热器表面的换热½力较弱,在散热½表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的½响,所以建
议散热½表面不加波纹½。
自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。
由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及½厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,
建议大于5mm以上。
散热器的设计方法
强迫冷却散热器的设计方法
在散热器表面加波纹½,波纹½的深度一般应小于0.5mm。
增加散热器的½片数。目前½际上先进的挤压设备及工艺已½够达到23的高½比,½内目前高½比最大只½
达到8。对½够提供足够的集中风冷的场合,建议采用½温真空钎焊成型的冷板,其½间距最小可到2mm。
采用针状½的设计方式,增加流½的扰动,提高散热½间的对流换热系数。
½风速大于1m/s(200CFM)时,可完全½略浮升力对表面换热的½响。
散热器的设计方法
在一定冷却条件下,所需散热器的½积热阻大小的选取方法
散热器的设计方法
在一定的冷却½积及流向长度下,确定散热器½片最½间距的大小的方法
散热器的设计方法
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散热器的设计方法
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相似准则数的定义
散热器的设计方法
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