第二章 熱設計基礎知識
2.1某些基本概念
2.1.1 溫升
　　指機柜內(nèi)空氣溫度或元器件溫度與環(huán)境溫度的差。如果忽略溫度變化對空氣物性的非線性影響，可以將一般環(huán)境溫度下（如空調(diào)房27℃）測量獲得的溫升直接加上最高可能環(huán)境溫度獲得最惡劣環(huán)境下的器件近似溫度。例如在空調(diào)房內(nèi)測得某器件溫升為40℃，則在55℃最高環(huán)境溫度下該器件的溫度將為95℃。
2.1.2 熱耗
　　指元器件正常運行時產(chǎn)生的熱量。熱耗不等同于功耗，功耗指器件的輸入功率。一般電子元器件的效率比較低，大部分功率都轉(zhuǎn)化為熱量。計算元器件溫升時，應根據(jù)其功耗和效率計算熱耗，當僅知道大致功耗時，對于小功率設備，可認為熱耗等于功耗，對于大功耗設備，可近似認為熱耗為功耗的75%。其實為給設計留一個余量，有時直接用功耗進行計算。但注意電源模塊的效率比較高，一般為70%~95%，對于同一個電源模塊，輸出功率越小，效率越低。
2.1.3 熱流密度
　　單位面積上的傳熱量，單位W/m2。
2.1.4 熱阻
熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑上的溫升。
　　可以用一個簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。
　　以下是一些單板元器件熱分析使用的重要熱阻概念，這些熱阻參數(shù)一般由元器件生產(chǎn)廠商根據(jù)標準實驗測量提供，可在器件的用戶說明書中查出：
2.1.4.1 結(jié)至空氣熱阻Rja：元器件的熱源結(jié)（junction）到周圍冷卻空氣（ambient）的總熱阻，乘以其發(fā)熱量即獲得器件溫升。
2.1.4.2 結(jié)至殼熱阻Rjc：元器件的熱源結(jié)到封裝外殼間的熱阻，乘以發(fā)熱量即獲得結(jié)與殼的溫差。
2.1.4.3 結(jié)至板熱阻Rjb：元器件的結(jié)與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即獲得結(jié)與單板間的溫差。
2.1.5 導熱系數(shù)
DKBA0.400.0037 REV. 1.0
表征材料導熱性能的參數(shù)指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導熱量，單位為W/m.K或W/m.℃
2.1.6 對流換熱系數(shù)
反映兩種介質(zhì)間對流換熱過程的強弱，表明當流體與壁面的溫差為1 ℃時，在單位時間通過單位面積的熱量，單位為W/m2.K或W/m2.℃
2.1.7 層流與紊流(湍流)
層流指流體呈有規(guī)則的、有序的流動，換熱系數(shù)小，熱阻大，流動阻力??；
紊流指流體呈無規(guī)則、相互混雜的流動，換熱系數(shù)大，熱阻小，流動阻力大。層流與紊流狀態(tài)一般由雷諾數(shù)來判定。在熱設計中，盡可能讓熱耗大的關(guān)鍵元器件周圍的空氣流動為紊流狀態(tài)，因為紊流時的換熱系數(shù)會是層流流動的數(shù)倍。
2.1.8 流阻
反映流體流過某一通道時所產(chǎn)生的靜壓差。單位帕斯卡或In. water
2.1.9 黑度
實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在0~1之間。它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。表面粗糙，無光澤，黑度大，輻射散熱能力強。
2.1.11雷諾數(shù)Re(Reynlods)
雷諾數(shù)的大小反映了空氣流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數(shù)是說明流體流態(tài)的一個相似準則數(shù)。其定義一般為式中u為空氣流速，單位m/s； D為特征尺寸，單位m，根據(jù)具體的對象結(jié)構(gòu)情況取值； 為運動粘度，單位m2/s。
2.1.12 普朗特數(shù)Pr(Prandtl)
普朗特數(shù)是說明流體物理性質(zhì)對換熱影響的相似準則數(shù)?？諝獾腜r數(shù)可直接根據(jù)定性溫度從物性表中查出。
2.1.13 努謝爾特數(shù)Nu(Nusseltl)
反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是一個說明對流換熱強弱的相似準則數(shù)。其定義一般為
h為換熱系數(shù)，單位W/m2.℃；D為特征尺寸； 為導熱系數(shù)，單位W/m.℃。
2.1.14 通風機的特性曲線
指通風機在某一固定轉(zhuǎn)速下工作，靜壓隨風量變化的關(guān)系曲線。當風機的出風口完全被睹住時，風量為零，靜壓最高；當風機不與任何風道連接時，其靜壓為零，而風量達到最大。

2.1.15 系統(tǒng)的阻力特性曲線
系統(tǒng)(或風道)的阻力特性曲線：是指流體流過風道所產(chǎn)生的壓降隨空氣流量變化的關(guān)系曲線，與流量的平方成正比。
2.1.16 通風機工作點
系統(tǒng)(風道)的特性曲線與風機的靜壓曲線的交點就是風機的工作點。
2.1.17 速度頭
　　一般使用空氣的動壓頭來作為電子設備機箱壓降的慣用基準，其定義為為空氣密度，u為空氣流速。風道中空氣的靜壓損失就由速度頭乘以阻力損失系數(shù)獲得。
2.2 熱量傳遞的基本方式及傳熱方程式
熱量傳遞有三種方式：導熱、對流和輻射，它們可以單獨出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時出現(xiàn)
2.2.1導熱的基本方程：
　　導熱是在同一種介質(zhì)中由于存在溫度梯度所產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象。(2-1)
λ---- 導熱系數(shù)，W/m.K或W/m.℃; A導--- 導熱方向上的截面面積，m2---- x方向上的溫度變化率，℃; R導----- 導熱熱阻, ℃/W
　　根據(jù)方程的形式，可以看出，要增強散熱量，減小溫升，可以增加導熱系數(shù)，選用導熱系數(shù)高的材料，如銅（約360W/m℃）或鋁（約160W/m℃）；增加導熱方向上的截面積；減小導熱方向上的路徑。
2.2.2 對流的基本方程：
　　對流是由流體與流體流經(jīng)的固體表面之間存在的溫差產(chǎn)生的換熱現(xiàn)象。
(2-2)
h---- 對流換熱系數(shù)，W/m2.K或W/m2.℃; A對--- 有效對流換熱面積，m2
tw---- 熱表面溫度，℃; ta---- 冷卻空氣溫度，℃;
R對流----- 對流熱阻, ℃/W
　　由方程可見，要增強對流換熱，可以加大換熱系數(shù)和換熱面積。
2.2.3 輻射的基本方程：
(2-3)
DKBA0.400.0037 REV. 1.0
---- 系統(tǒng)黑度，
ε1，ε2----分別為高溫物體表面（如發(fā)熱器件）和低溫物體表面（如機殼內(nèi)表面）的黑度;
F12------ 表面1到表面2的角系數(shù)。即表面1向空間發(fā)射的輻射落到表面2的百分數(shù)。
A1 ---物體1的有效輻射面積，m2;
　　　　 T1, T2--分別為物體1和物體2的絕對溫度，K
　　由方程可見，要增加輻射換熱，可以提高熱源表面的黑度和到冷表面的角系數(shù)，增加表面積。
2.3 增強散熱的方式
　　以下一些具體的散熱增強方式，其實就是根據(jù)上述三種基本傳熱方程來增加散熱量的：
2.3.1 增加有效散熱面積。如在芯片表面安裝散熱器；將熱量通過引線或?qū)峤^緣材料導到PCB板中，利用周圍PCB板的表面散熱。
2.3.2 增加流過表面的風速，可以增加換熱系數(shù)。
2.3.3破壞層流邊界層，增加擾動。紊流的換熱強度是層流的數(shù)倍，抽風時，風道橫截面上速度分布比較均勻，風速較低，一般為層流狀態(tài)，換熱避面上的不規(guī)則凸起可以破壞層流狀態(tài)，加強換熱，針狀散熱器和翅片散熱器的換熱面積一樣，而換熱量卻可以增加30%，就是這個原因。吹風時，風扇出口風速分布不均，有主要流動方向，局
部風速較高，一般為紊流狀態(tài)，局部換熱強烈，但要注意回流低速區(qū)換熱較差。
2.3.4 盡量減小導熱界面的接觸熱阻。在接觸面可以使用導熱硅膠（絕緣性能好）或鋁箔等材料。
2.3.5 設法減小散熱熱阻。在屏蔽盒等封閉狹小空間內(nèi)的單板器件主要通過空氣的受限自然對流和導熱、輻射散熱，由于空氣的導熱系數(shù)很小，所以熱阻很大。如果將器件表面和金屬殼內(nèi)側(cè)通過導熱絕緣墊接觸，則熱阻將大大降低，減小溫升。

第三章 自然對流換熱
　　當發(fā)熱表面溫升為40℃或更高時，如果熱流密度小于0.04W/cm2 ，則一般可以通過自然對流的方式冷卻，不必使用風扇。自然對流主要通過空氣受熱膨脹產(chǎn)生的浮升力使空氣不斷流過發(fā)熱表面，實現(xiàn)散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設備，所以不需要維護，成本最低。只要熱設計和熱測試表明系統(tǒng)通過自然對流足以散熱，應盡量不使用風扇。
3.1 自然對流熱設計要考慮的問題
　　如果設計不當，元器件溫升過高，將不得不采用風扇。合理全面的自然對流熱設計必須考慮如下問題：
3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件時，應將不耐熱的元件放在靠近進風口的位置，而且位于功率大、發(fā)熱量大的元器件的上游，盡量遠離高溫元件，以避免輻射的影響，如果無法遠離，也可以用熱屏蔽板（拋光的金屬薄板，黑度越小越好）隔開；將本身發(fā)熱而又耐熱的元件放在靠近出風口的位置或頂部； 一般應將熱流密度高的元
器件放在邊沿與頂部，靠近出風口的位置，但如果不能承受較高溫度，也要放在進風口附近，注意盡量與其他發(fā)熱元件和熱敏元件在空氣上升方向上錯開位置；大功率的元器件盡量分散布局，避免熱源集中； 不同大小尺寸的元器件盡量均勻排列，使風阻均布，風量分布均勻。
　　單板上元器件的布局應根據(jù)各元件的參數(shù)和使用要求綜合確定。
3.1.2 是否有足夠的自然對流空間。 元器件與元器件之間，元器件與結(jié)構(gòu)件之間應保持一定距離，通常至少13mm，以利于空氣流動，增強對流換熱。一些具體的參考距離尺寸如下：
3.1.2.1 對相鄰的兩垂直發(fā)熱表面，d/L=0.25，如圖3-1-(a)所示;
3.1.2.2 對相鄰的垂直發(fā)熱表面與冷表面間距,dmin=2.5mm, 如圖3-1-(b)所示;
3.1.2.3.對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的上表面之間,d/D=0.85, 如圖3-1-(c)所示;
3.1.2.4 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的垂直表面之間,d/D=0.7, 如圖3-1-(d)所示;
3.1.2.5 對鄰近的水平發(fā)熱圓柱體和冷的水平底面之間,d/D=0.65, 如圖3-1-(e)所示;

第四章 強迫對流換熱-風扇冷卻
　　當散熱面熱流密度超過0.08W/cm2，就必須采用強迫風冷的方式散熱。強迫風冷在我公司產(chǎn)品中應用最多。有時盡管不用風扇可以散熱，但散熱器和機箱體積會很大，采用風扇冷卻可以將體積減小許多。
4.1 風道的設計
　　強迫風冷中風道的設計非常重要。以下是設計的一些基本原則：
 盡量采用直通風道，避免氣流的轉(zhuǎn)彎。在氣流急劇轉(zhuǎn)彎的地方，應采用導風板使氣流逐漸轉(zhuǎn)向，使壓力損失達到最小。
 盡量避免驟然擴展和驟然收縮。
 進出風口盡量遠離，防止氣流短路。
 在機柜的面板、側(cè)板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，防止氣流短路。
 為避免上游插框的熱量帶入下游插框，影響其散熱，可以采用獨立風道，分開散熱。
 風道設計應保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區(qū)和低速區(qū)產(chǎn)生熱點。
 對于并聯(lián)風道應根據(jù)各風道散熱量的要求分配風量, 避免風道阻力不合理布局 要避免風道的高低壓區(qū)的短路

4.2 抽風與吹風的區(qū)別
4.2.1 吹風的優(yōu)缺點
a. 風扇出口附近氣流主要為紊流流動，局部換熱強烈，宜用于發(fā)熱器件比較集中的情況，此時必須將風扇的主要出風口對準集中的發(fā)熱元件。
b. 吹風時將在機柜內(nèi)形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進入機柜/箱。
c. 風扇將不會受到系統(tǒng)散熱量的影響，工作在在較低的空氣溫度下，風扇壽命較長。
d. 由于吹風有一定方向性，對整個插框橫截面上的送風量會不均勻。
e. 在風扇HUB附近和并聯(lián)風扇之間的位置有部分回流和低速區(qū)，換熱較差，最好將風扇與插框保持50mm以上的間距，使送風均勻化。
4.2.2 抽風的特點
a. 送風均勻，適用于發(fā)熱器件分布比較均勻，風道比較復雜的情況。
b. 進入風扇的流動主要為層流狀態(tài)。
c. 風扇將在出風口高溫氣流下工作，壽命會受影響。
d. 機柜內(nèi)形成負壓，縫隙中的灰塵
4.3 風扇選型設計
4.3.1 風扇的種類
　　通信產(chǎn)品中運用的風扇有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）
三種，它們的典型特性曲線見圖4-1

從圖中的對比可以看出，軸流風扇風量大、風壓低，曲線中間的平坦轉(zhuǎn)折區(qū)為軸流風扇特有的不穩(wěn)定工作區(qū)，一般要避免風扇工作在該區(qū)域。最佳工作區(qū)在低風壓、大流量的位置（曲線的后1/3段）。如果系統(tǒng)的阻力比較大，也可以利用高風壓、低流量的工作區(qū)（曲線的前1/3段），但要注意風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風方向垂直，其特點為風壓大、風量低，最好工作在曲線中壓力較高的區(qū)域?；炝黠L扇的特點介于軸流和離心之間，出風方向與進風有一傾斜角度，則風量可以立即擴散到插框的各個角落，而且風壓與風量都比較大，但風扇HUB直徑較大，正對HUB的部分風速很低，回流比較嚴重?！?br /> 　目前公司除極個別產(chǎn)品采用混流風扇外，一般都采用軸流風扇。我公司采用的風扇產(chǎn)品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的風扇雖然性能好，但在商務采購上評級為D，不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。
4.3.2 風扇與系統(tǒng)的匹配
　　空氣流過風道將產(chǎn)生壓力損失。系統(tǒng)的壓力損失有沿程阻力損失和局部阻力損失。沿程損失是由氣流相互運動產(chǎn)生的阻力及氣流與壁面或單板的摩擦所引起的。局部阻力損失是氣流方向發(fā)生變化或風道截面發(fā)生突變所引起的損失。不管哪種損失，
均和當?shù)仫L速的平方成正比，如局部壓力損失由下式計算

柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量，采用風扇并聯(lián)使用的方式。風扇并聯(lián)時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加，如圖4-3所示，實際上一般會比理想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯(lián)使用產(chǎn)生的風量并不是僅采用一個風扇時產(chǎn)生風量的兩倍，可能只增加30%，這和系統(tǒng)阻力特性曲線在工作點附近的斜率大小有關(guān)。如果系統(tǒng)阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯(lián)的數(shù)目多到一定程度時，并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯(lián)風扇數(shù)目不要超過3個，如果插框較寬，可以用4個，縱向上除非插框很深，一般只用一排。

4.3.5 風扇的噪音問題
　　風扇產(chǎn)生的噪音與風扇的工作點或風量有直接關(guān)系，如圖4-6所示，對于軸流風扇 在大風量，低風壓的區(qū)域噪音最小，對于離心風機在高風壓，低風量的區(qū)域噪音最小，這和風扇的最佳工作區(qū)是吻合的。注意不要讓風扇工作在高噪音區(qū)。

..............

附：
一、熱設計仿真軟件介紹：
　　該種軟件運用計算流體力學（CFD）原理對電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行三維流場和溫度場計算，可獲得任意局部的流速、溫度和風壓，可進行機柜系統(tǒng)級、單板級到元器件級的綜合熱分析。具體可幫助熱設計工程師解決如下問題：
1. 實現(xiàn)通風風扇與風道阻力特性的匹配選型設計。 在充分實驗工作了解了機柜中典型模塊（各類典型單板插框、配電箱、屏蔽板、防塵板、進出通風口等）的阻力特性經(jīng)驗參數(shù)后，輸入到仿真軟件的阻力邊界條件中，軟件會根據(jù)風扇的性能曲線結(jié)合計算出的風道阻力計算其工作點，獲得流量、壓降與風速。只要前期實驗工作充分，軟件計算結(jié)果可以可靠地指導設計工作。
2. 可在方案初期通過仿真預測，論證散熱方式的可行性。
3. 可比較不同的風道設計、風扇與通風口的位置與尺寸、相鄰單元或單板的距離、模塊結(jié)構(gòu)布局等方案下系統(tǒng)的相對散熱情況，指導設計人員獲得最佳方案。也可幫助設計人員避免不當?shù)耐L結(jié)構(gòu)布置。
4. 可了解風道中大致的流場分布，發(fā)現(xiàn)回流與低速區(qū)，指導風道結(jié)構(gòu)的改進設計，也可為元器件布板人員提供參考，優(yōu)化關(guān)鍵器件的位置。
5. 可優(yōu)化散熱器的形狀和尺寸，獲得其熱阻參數(shù)，便于其選型設計。
6. 在積累了足夠的實踐經(jīng)驗后，如果提供的功耗等輸入?yún)?shù)比較準確，可以比較準確地預測元器件的大致溫升，在樣機制造前即避免熱設計的不當之處，并進行模擬優(yōu)化，減少實驗的反復工作和開發(fā)周期，提高產(chǎn)品競爭力。這項工作可分兩步走，先通過系統(tǒng)級計算獲得單板的邊界條件（空氣風速和來流溫度），然后再對單板進行具體細節(jié)分析，獲得具體器件的溫升。
二、參考文獻
1. GJB/Z 27-92 ，電子設備可靠性熱設計手冊，1992年7月18日發(fā)布
2. 電子設備冷卻技術(shù)，D. S. 斯坦伯格，傅軍譯，航空工業(yè)出版社，1989
3. “ Equipment Fans for Electronic Cooling, Function and Behavior in Practical
Application” , Siegfried Harmsen, Verlag moderne industrie, 1991
4. “ Thermal Analysis & Design Process” , Applied Thermal Technologies, Inc. 1992

熱設計規(guī)范下載:  熱設計技術(shù)規(guī)范

標簽： 點擊： 評論: