艾默生電子設(shè)備的自然冷卻熱設(shè)計(jì)規(guī)范

admin 2011-09-22

5 規(guī)范內(nèi)容
5.1 遵循的原則
5.1.1進(jìn)行產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，平衡熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)各種需求。
5.1.2 熱設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、公司標(biāo)準(zhǔn)。
5.1.3 熱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足產(chǎn)品的可靠性要求，以保證設(shè)備內(nèi)的元器件均能在設(shè)定的熱環(huán)境中正常工作，并保證達(dá)到設(shè)定的MTBF指標(biāo)。
5.1.4 各個(gè)元器件的參數(shù)選擇、安裝位置與方式必須符合散熱要求。
5.1.4.1元器件的發(fā)熱表面與散熱表面之間的接觸熱阻應(yīng)盡可能小。
5.1.4.2 根據(jù)元器件的損耗大小及溫升要求確定是否加裝散熱器。
5.1.4.3 模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護(hù)回路，以提高系統(tǒng)的可靠性。
5.1.5 在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)的設(shè)計(jì)冗余，以避免在使用過程中因工況發(fā)生變化而引起的熱耗散及流動(dòng)阻力的增加。
5.1.6 熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在保證散熱的前提下使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠且體積最小、成本最低。
5.1.7 采用自然冷卻的條件：常壓下單位面積的最大功耗：小于0.024-0.039w/cm2，上限適應(yīng)于通風(fēng)條件較惡劣的情況，下限適應(yīng)于通

風(fēng)條件較好的場(chǎng)合。
5.2 產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)要求
5.2.1產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)
5.2.1.1 散熱器的表面溫度最高處的溫升應(yīng)小于50℃.
5.2.1.2 模塊內(nèi)部空氣的平均溫升應(yīng)小于25℃。
5.2.2 元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)
元器件的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)符合TS-S0A0204001《器件應(yīng)力降額規(guī)范》，具體指標(biāo)如下：
5.2.2.1 功率器件的工作結(jié)溫應(yīng)小于最大結(jié)溫的(0.5-0.8)倍
對(duì)額定結(jié)溫為175℃的功率器件, 工作結(jié)溫小于140℃.
對(duì)額定結(jié)溫為150℃的功率器件, 工作結(jié)溫小于120℃.
對(duì)額定結(jié)溫為125℃的功率器件, 工作結(jié)溫小于100℃.
5.2.2.2 碳膜電阻 120℃
金屬膜電阻 100℃
壓制線繞電阻 150℃
涂剝線繞電阻 225 ℃
5.2.2.3 變壓器、扼流圈表面溫度
A級(jí) 90 ℃
B級(jí) 110 ℃
F級(jí) 150 ℃
H級(jí) 180 ℃
5.2.2.4 電容器的表面溫度
紙質(zhì)電容器 75-85℃
電解電容器 65-80℃
薄膜電容器 75-85℃
云母電容器 75-85℃
陶瓷電容器 75-85℃
5.3 系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)
5.3.1 常見系統(tǒng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)
5.3.1.1系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)的一些基本原則：
? 進(jìn)、出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，以強(qiáng)化煙囪效果。
? 出風(fēng)口盡可能設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的頂部。
? 在機(jī)柜的面板、側(cè)板、后板沒有特別要求一般不要開通風(fēng)孔，以利于形成有效的煙囪。
? 系統(tǒng)后部應(yīng)留一定空間以利于氣流順暢流出。
? 為了避免下部熱源對(duì)于上層熱源的影響，可采用隔板形成獨(dú)立風(fēng)道。
? 為了避免熱空氣流入配電單元而影響其可靠性，可把氣流風(fēng)道隔離，形成完整、獨(dú)立的風(fēng)道。
5.3.1.2一些典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)
5.3.2 系統(tǒng)通風(fēng)面積的計(jì)算
系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計(jì)算：
S=Q/(7.4³10-5H³Δt1.5) ....……………..(1)
s-通風(fēng)口面積的大小，cm2
Q-機(jī)柜內(nèi)總的散熱量，W
H-機(jī)柜的高度，cm
Δt=t2-t1--內(nèi)部空氣溫度t2與外部空氣溫度 t1 之差， ℃
出風(fēng)口的面積大小應(yīng)為進(jìn)風(fēng)口面積大小的1.5-2倍；

5.3.3 戶外設(shè)備(機(jī)柜)的熱設(shè)計(jì)
5.3.3.1 太陽(yáng)輻射對(duì)戶外設(shè)備(系統(tǒng))的影響
5.3.3.1.1 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及其影響因素
戶外柜由于處于室外，太陽(yáng)輻射將是其熱設(shè)計(jì)必須考慮的重要一環(huán)。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射主要受大氣層厚度的影響，大氣層越厚，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射就越嚴(yán)重，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射就越少。此外大氣的狀況和大氣的質(zhì)量對(duì)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射也有影響。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的大小，主要取決于地球?qū)μ?yáng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也就是取決于被照射地點(diǎn)與太陽(yáng)射線形成的高度角β和太陽(yáng)光線通過大氣層的厚度，顯然地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度都是不相同的。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射有兩部分：
直接輻射太陽(yáng)以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽(yáng)直接輻射。太陽(yáng)直接輻射的強(qiáng)弱和許多因子有關(guān)，其中，最主要的是太陽(yáng)高度角(直射或斜射)，其次為大氣透明度，或者說，太陽(yáng)輻射(直射時(shí))經(jīng)過大氣的路程愈短，被大氣削弱的愈少，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射愈多；反之，愈少。
一天當(dāng)中，日出、日沒時(shí)太陽(yáng)高度最小，直接輻射最弱；中午太陽(yáng)高度角最大，直接輻射最強(qiáng)。在一年當(dāng)中，直接輻射在夏季最強(qiáng)，冬季最弱。以緯度而言，低緯度地區(qū)一年各季太陽(yáng)高度角都很大，地表面得到的直接輻射就比中、高緯度地區(qū)大得多。
散射輻射太陽(yáng)高度角增大時(shí)，到達(dá)地面層的直接輻射增強(qiáng)，散射輻射也就相應(yīng)地增強(qiáng)；相反，太陽(yáng)高度角減小時(shí)，散射輻射也弱。太陽(yáng)經(jīng)過大氣路程長(zhǎng)，參與散射作用的質(zhì)點(diǎn)增多，散射輻射增強(qiáng)；相反，減弱。云也能強(qiáng)烈地增大散射輻射。陰天的散射輻射比晴天強(qiáng)。

一日內(nèi)正午前后散射輻射最強(qiáng)，一年內(nèi)夏季最強(qiáng)。
總輻射同時(shí)到達(dá)地面(水平面)的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和，稱為總輻射。
5.3.3.1.2 戶外柜表面所吸收的太陽(yáng)輻射熱
當(dāng)太陽(yáng)射線照射到戶外柜表面時(shí)，一部分被吸收，一部分被反射，二者的比例取決于表面材料的種類、粗糙度和顏色，表面愈粗糙、顏色愈深，吸收的太陽(yáng)輻射熱愈多。同一材料對(duì)于不同波長(zhǎng)的輻射光的吸收率也是不同的，黑色表面對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射幾乎全部吸收，而白色表面對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收率不同，對(duì)于可見光幾乎90%都反射回去，所以戶外柜表面最好為白色和相近色，以減少進(jìn)入戶外柜內(nèi)部的太陽(yáng)輻射熱。表1列舉出了常用戶外柜材料及表面顏色的吸收率和發(fā)射率。表2列舉出了建筑常材料及表面顏色的吸收率和發(fā)射率。
表1常用戶外柜材料及表面顏色的吸收率和發(fā)射率
SURFACE Shortwave (solar) absorptance Longwave emittance
Polished Aluminum 0.03 0.05

戶外柜表面所吸收的太陽(yáng)輻射熱按式(2)進(jìn)行計(jì)算。
Q = solQsun„„„„„„„„„„„„„(2)
其中：Q―戶外柜表面所吸收的總太陽(yáng)輻射熱，W
sol―戶外柜表面的太陽(yáng)短波吸收率
Qsun―照射到戶外柜表面的總太陽(yáng)輻射熱，W，包括太陽(yáng)直射、散射到戶外柜表面以及周圍其它表面反射的太陽(yáng)輻射熱(開放式空間除外)。
Qsun＝I0³A
I0―太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2,從當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料中查取。
A－戶外柜被太陽(yáng)照射到的表面積，m2.
5.3.3.2 戶外柜的傳熱計(jì)算
戶外柜的傳熱模型可以簡(jiǎn)化為如圖2所示的熱阻網(wǎng)絡(luò)。
圖2 戶外柜傳熱簡(jiǎn)化模型
其傳熱路徑包括兩個(gè)部分：
路徑一：戶外柜內(nèi)部生成的熱量通過對(duì)流及輻射傳給戶外柜內(nèi)表面，再通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導(dǎo)熱傳到戶外柜外表面，最后通過對(duì)流及輻射傳給周圍的大氣。
路徑二：戶外柜外表面吸收了太陽(yáng)輻射的熱量，一部分通過對(duì)流及輻射傳給周圍大氣，另一部分則通過夾層材料(如空氣、海面、泡沫等)的導(dǎo)熱傳到戶外柜內(nèi)。
要保持戶外柜內(nèi)的溫度Ti恒定，進(jìn)入戶外柜的熱量加上內(nèi)部生成的熱量應(yīng)等于戶外柜表面的散熱量。如果不能夠平衡，則需要借助熱交換器或空調(diào)來強(qiáng)制維持熱量的平衡，保證內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求并保持恒定。戶外柜傳熱計(jì)算的目的就是要計(jì)算出需要依靠熱交換器或空調(diào)來強(qiáng)制維持熱量平衡的凈熱量Qnet。
依據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)圖2給出的傳熱方程式為：
Ti - Tair = RiQi + RoQi + RoQ - [Ro/Rrad][Tair - Tsky]…………..(3)
l/Ro = l/Rconv + l/Rrad
Q――戶外柜吸收的太陽(yáng)輻射的熱量，W，Q = solQsun
Qsun――太陽(yáng)輻射的總熱量，W
Ti――戶外柜內(nèi)部允許的環(huán)境溫度，℃
Tair――戶外柜周圍的外部環(huán)境溫度，℃
Tsky――戶外柜遠(yuǎn)處的環(huán)境溫度，℃
Ro――戶外柜外表面的總熱阻，℃、W
Rconv――戶外柜外表面的對(duì)流熱阻，℃/W
Rrad――戶外柜外表面向周圍環(huán)境及大氣的輻射熱阻，℃/W
Ri---戶外柜外內(nèi)表面的熱阻，℃/W sol---戶外柜表面的太陽(yáng)輻射吸收率
具體計(jì)算方法按照表3提供的小程序即可快速計(jì)算出冷卻所需的凈熱量Qnet。