散熱器的設(shè)計(jì)方法
? 散熱器冷卻方式的判據(jù)

? 對通風(fēng)條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。
? 對通風(fēng)條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風(fēng)冷。
? 散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的判據(jù)
? 對通風(fēng)條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。
? 對通風(fēng)條件較惡劣的場合： 散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。
? 散熱器設(shè)計(jì)的步驟
    
     通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步
    1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。
    2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。
    3:進(jìn)行校核計(jì)算。
? 自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法

? 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。
? 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產(chǎn)生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。
? 自然對流的散熱器表面一般采用發(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強(qiáng)化輻射換熱。
? 由于自然對流達(dá)到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時熱負(fù)荷的沖擊，建議大于5mm以上。
? 強(qiáng)迫冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法

? 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。
? 增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對能夠提供足夠的集中風(fēng)冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。
? 采用針狀齒的設(shè)計(jì)方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。
? 當(dāng)風(fēng)速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。

? 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法
? 在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法
? 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較
? 散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法
? 相似準(zhǔn)則數(shù)的定義
? 散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法
? 相似準(zhǔn)則數(shù)的應(yīng)用
? 散熱器的基板的優(yōu)化方法
? 不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法
? 不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法
? 優(yōu)化散熱器齒間距的經(jīng)驗(yàn)公式及評估風(fēng)速變化對熱阻的影響的經(jīng)驗(yàn)公式
? 輻射換熱的考慮原則
? 如果物體表面的溫度低于50℃，可忽略顏色對輻射換熱的影響。因?yàn)榇藭r輻射波長相當(dāng)長，處于不可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個良好的發(fā)射體也是一個良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無關(guān)。
? 對于強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻(xiàn)。
? 如果物體表面的溫度低于50℃，
可不考慮輻射換熱的影響。
? 輻射換熱面積計(jì)算時，如表面
積不規(guī)則，應(yīng)采用投影面積。
即沿表面各部分繃緊繩子求得
的就是這一投影面積，如圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。
熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法
? 冷卻方式的選擇方法
? 確定冷卻方法的原則
      在所有的冷卻方法中應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻，只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時，才考慮其它冷卻。
? 冷卻方式的選擇方法1:根據(jù)溫升在40℃條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。

? 冷卻方式的選擇方法2:根據(jù)熱流密度與溫升要求，按圖2所示關(guān)系曲線選擇，此方法適應(yīng)于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻
? 冷卻方式的選擇方法案例
   某電子設(shè)備的功耗為300W，機(jī)殼的幾何尺寸為248×381×432mm，在正常大氣壓下，若設(shè)備的允許溫升為40℃，試問采用那種冷卻方法比較合理？
        計(jì)算熱流密度：                q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2
             根據(jù)圖2查得，當(dāng)△t=40℃，q=0.04W/cm2時，其交點(diǎn)正好落在自然冷卻范圍內(nèi)，所有采用自然冷卻方法就可以滿足要求。
        若設(shè)備的溫升有嚴(yán)格限制，假設(shè)只允許10℃，由圖2可以看出，需強(qiáng)迫風(fēng)冷才能滿足要求。
? 機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算
? 密封機(jī)箱
       WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT

? 對通風(fēng)機(jī)箱
     WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT

? 對強(qiáng)迫通風(fēng)機(jī)箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+ 1000QfΔT
? 自然冷卻時進(jìn)風(fēng)口面積的計(jì)算
     
      在機(jī)柜的前面板上開各種形式的通風(fēng)孔或百葉窗，以增加空氣對流，進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計(jì)算：
                    Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)
                           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，約模塊高度的1.5-1.8倍，
                         Δt=t2-t1－內(nèi)部空氣t2與外部空氣溫度 t1  之差  ， ℃
            出風(fēng)口面積為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5-2倍
? 強(qiáng)迫風(fēng)冷出風(fēng)口面積的計(jì)算
? 模塊
      有風(fēng)扇端的通風(fēng)面積:
                    Sfan=0.785(φin2－φhub2)
      無風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=(1.1-1.5) Sfan
? 系統(tǒng)
       在后面板(后門)上與模塊層對應(yīng)的位置開通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為：
                    S＝(1.5-2.0)(N×S模塊)
                    N---每層模塊的總數(shù)
                   S模塊---每一個模塊的進(jìn)風(fēng)面積
? 通風(fēng)面積計(jì)算的案例
[案例] 鐵道信號電源機(jī)柜模塊及系統(tǒng)均為自然冷卻，每層模塊的散熱量為360W，模塊的高度為7U，進(jìn)出口溫差按20℃計(jì)算，機(jī)柜實(shí)際寬度為680mm，試計(jì)算每層進(jìn)出風(fēng)口的面積？
        H按2倍模塊的高度計(jì)算，即 H=2×7U=14U
        進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算：
          Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)
            =360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2
        進(jìn)風(fēng)口高度h
               機(jī)柜的寬度按B=680mm計(jì)，則進(jìn)風(fēng)口的高度為：
                H=Sin/B=875/68=128.7mm
       b 出風(fēng)口面積Sout 
        Sout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2
? 實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法

          q`=Q/(0.335△T)
               q`---實(shí)際所需的風(fēng)量，M3/h
               Q----散熱量，W
               △T-- 空氣的溫升，℃，一般為10－15℃。
     確定風(fēng)扇的型號經(jīng)驗(yàn)公式：
    按照1.5-2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：
         q=(1.5-2)q`  按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號。
? 實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法
? 案例：10K UPS主功率管部分的實(shí)際總損耗為800W，空氣溫升按15℃考慮，請選擇合適的風(fēng)扇。
?        實(shí)際所須風(fēng)量為：
?        q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h
?         按照2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量：
?          q=2q`=2×159.2=318.4m3/h
?         下表風(fēng)扇為可選型號
? 型材散熱器的計(jì)算
? 散熱器的熱阻
        散熱器的熱阻是從大的方面包括三個部分。
RSA=R對+R導(dǎo)+ R輻
　　　       R對=1/（hc F1）     
                                F1--對流換熱面積(m), hc –對流換熱系數(shù)(w/m2.k)
                       R輻--輻射換熱熱阻 ，對強(qiáng)迫風(fēng)冷可忽略不計(jì)
                                                             對自然冷卻 R輻＝1/(4бεTm3) 
                        R導(dǎo)＝R  基板＋R肋導(dǎo)
                                              ＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R對流
                                       λ--導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h.℃
                                               δ-- 散熱器基板厚度(m) 
                                               η-- 肋效率系數(shù)
                                                F2--基板的導(dǎo)熱面積(m)
　　　　　　                     　F2=0.785*(d+δ)2
                                                                                 d- 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m）

? 型材散熱器的計(jì)算
? 對流換熱系數(shù)的計(jì)算
自然對流
   垂直表面
       hcs=1.414(△t/L)0.25 ，w/m.k
             式中:   △t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升，℃
                      L--散熱表面的特征尺寸，取散熱表面的高，m
   水平表面，熱表面朝上
             hct=1.322(△t/L)0.25 ，w/m.k
                式中:   △t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升，℃
                          L--散熱表面的特征尺寸，取L＝2(長×寬)/(長＋寬)，m    
   水平表面，熱表面朝下
             hcb=0.661(△t/L)0.25 ，w/m.k
                 式中:   △t--散熱表面與環(huán)境溫度的平均溫升，℃
                             L--散熱表面的特征尺寸，取L＝2(長×寬)/(長＋寬)，m
? 型材散熱器的計(jì)算
? 對流換熱系數(shù)的計(jì)算
強(qiáng)迫對流
   層流  Ref<105
             hc＝(1.1-1.4) λ空氣 0.66Ref 0.5/L
   湍流 Ref>105
             hc＝(1.1-1.4) λ空氣 0.032Ref 0.8/L
? 肋片效率                       
            對直齒肋：
                       η=th(mb)/(mb))
                             m=(2 hc/λδ0)
                                 δ0：肋片根部厚度(m)
　　　　　　     b.  肋高(m)　　　　
? 型材散熱器的計(jì)算
? 散熱器的流阻計(jì)算
    散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失
            △P＝hf+hj
                   =λf•L/de•ρV22/2+ζρV22/2
                             λf --沿程阻力系數(shù)
                              L--流向長度(m)
                              de--當(dāng)量水利直徑(m)，de=4A流通/濕周長
                              V--斷面流速(m/s)
   沿程阻力系數(shù)計(jì)算λf
         層流區(qū)：Re=Vd/υ≤2300  λf=64/Re
         紊統(tǒng)光滑區(qū) 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25
                  υ--運(yùn)動粘度系數(shù)（m2/s），從文獻(xiàn)中查找
? 型材散熱器的計(jì)算
? 散熱器的流阻計(jì)算
  局面阻力系數(shù)ζ
  突然擴(kuò)大
       按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ1＝(1-A1A2)   
       按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)： ζ2＝(1-A2/A1)
  突然縮小
        可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。
? 型材散熱器的計(jì)算
? 【案例】散熱器DXC-616(天津鋁合金廠編號)，截面圖略，散熱器的截面積為77.78cm2，周長為2.302m，單位長度的重量為21KG/m。風(fēng)扇采用PAPST 4656Z ，風(fēng)扇功率19W，最大風(fēng)量為160m3/h，壓頭為70Pa.
   風(fēng)道阻力曲線的計(jì)算
         入口面積：Fin=0.785×D2 =0.785×0.1192=0.01116m2
          流通面積：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2
          水力直徑： de＝4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m
      由于風(fēng)速較低，一般最大不會超過6m/s，雷諾數(shù)<2300，沿程阻力系數(shù)按下式計(jì)算：λ=64/Re＝64 ν/Vde
       沿程阻力按下式計(jì)算：
          hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64 ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)
            =(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)
            =(8.07/V)(ρV2/2) 
         局部阻力按下式計(jì)算：
          hj＝ξρV2/2
         對于突然縮小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得ξ＝0.38
        總阻力損失 H=hf+ hj=(0.38+8.07/V )(ρV2/2)
? 型材散熱器的計(jì)算
? 【案例】續(xù)
   確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)
        10KVA UPS 的選擇風(fēng)扇為PAPST 4656Z，我們把風(fēng)道曲線與風(fēng)扇的曲線進(jìn)行疊加，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，給工作點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)速為5m/s，壓力為35Pa.
   散熱器的校核計(jì)算
        雷諾數(shù)  Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104
        努謝爾特?cái)?shù)： Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157
        對流換熱系數(shù)：hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.k
           m=(2 hc/λδ)0.5=9.82
           ml=9.82×0.03=0.295，查得：η＝0.96
           該散熱器的最大散熱量為（散熱器臺面溫升按最大40℃考慮)：
            Q＝hcF△t η=460.4W
         計(jì)算結(jié)果表面，散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。

 冷板的計(jì)算方法
? 傳熱計(jì)算
確定空氣流過冷板后的溫升：t=Q/qmCp
確定定性溫度    tf=(2ts+t1+t2)/4， 冷板臺面溫度 ts為假定值
設(shè)定冷板的寬度為b，則通道的橫截面積為Ac ，Ac=b×Ac0 
確定定性溫度下的物性參數(shù)(μ、Cp、ρ、Pr)。
流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù)        G=qm/Af        Re=deG/μ  
根據(jù)雷諾數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)，  Re<1800, 層流， Re>105, 湍流
根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計(jì)算考爾本數(shù)J
       Re<1800,層流   J=6/Re 0.98 Re>105,湍流     J=0.023/Re 0.2
        也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
? 冷板的計(jì)算方法
? 傳熱計(jì)算
計(jì)算冷板的換熱系數(shù)： h= JGCpPr2/3    
計(jì)算肋片的效率  m=(2h/λδ)0.5，ηf=th(ml)/ml（也可以根據(jù)ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率)
計(jì)算冷板的總效率：忽略蓋板及底版的效率，總效率為：                                                                                    A＝At+Ar＋Ab，  η0＝1－Ar(1-ηf)/A
計(jì)算傳熱單元數(shù)    NTU＝hη0A/qmCp
計(jì)算冷板散熱器的臺面溫度
                  ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)
? 冷板的計(jì)算方法
? 流體流動阻力計(jì)算
計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比
             σ=Af/Ac     
查空氣進(jìn)入冷板時入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,σ)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得 
查摩擦系數(shù)f=f(Re,σ)：  根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
計(jì)算流動阻力
  △P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)
? 冷板的計(jì)算方法
? 判斷準(zhǔn)則
  確定是否滿足ts<[ts]，如果不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。
  確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風(fēng)扇
? 冷板的計(jì)算方法
? 案例：10KVA UPS 冷板散熱器，器件的損耗為870.5W，要求冷板散熱器臺面溫升小于30℃(在40℃的環(huán)境溫度下)。
            冷板散熱器的截面圖略 
               梯形小通道面積：Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2
               每排有29個梯形小通道，共22排，n=29×22=638個
               基板厚度為：9mm
       總的流通面積 Af =30.4×29×22=0.0193952 m2       
              冷板的橫截面積 Ac=120×120×2=0.0288 m2
              水力半徑：de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm
? 冷板的計(jì)算方法
? 【案例】續(xù)

確定風(fēng)扇的工作點(diǎn)
          Re=de G/μ=deqm/μAf
         在40℃空氣的物性參數(shù)為： μ＝19.1×10-6kg/m.s,   ρ１＝1.12kg/m3
          Re=(4.787×10-3×1.12×0.30483 qm1/(60×19.1×10-6×0.0193952)
              =6.831 qm1(qm1的單位為：CFM)
          σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673
? 冷板的計(jì)算方法
? 【案例】續(xù)
先忽略空氣密度的變化,不同流量的流阻計(jì)算如下表所示:
  
   我們把兩個NMB4715的風(fēng)扇流量相加，靜壓不變，得出兩個風(fēng)扇并聯(lián)后的靜壓曲線，再把上表的數(shù)據(jù)繪制成風(fēng)道曲線并與風(fēng)扇靜壓曲線進(jìn)行畫在同一張圖上，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/s。
? 冷板的計(jì)算方法
? 【案例】續(xù)
  空氣流過冷板后的溫升
       空氣口溫度為40 ℃，ρ１＝1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg. ℃
                          μ=19.1×10-6kg/m.s，   Pr=0.699
       質(zhì)量流量  qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s
       △t= Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63 ℃   
  定性溫度： tf=(2ts+t1+t2)= (2×80+40+49.63)/4=62.4  ℃
            按定性溫度查物性得： ρ１＝1.06kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃                                                     μ=20.1×10-6kg/m.s，Pr=0.696
  換熱系數(shù)                                                                                                                                          
  質(zhì)量流速  G=qm/Af =4.14×1.12=4.64kg/m2.s                                                              
  雷諾數(shù)     Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1                      層流     J=6/Re 0.98=6/1105.10.98=6.25×10-3
      h= JGCpPr-2/3=6.25×10-3×4.64×1005.7×0.696-2/3 =37.14W/m2.℃
  肋片效率  m=(2h/λδ)0.5=(2×37.14/(180 ×0.001))0.5=20.3
            ml=20.3×0.11=2.23
            ηf=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433
  傳熱單元數(shù)：NTU＝hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241 =0.5772
  冷板的表面溫度： Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃<70℃
                冷板設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。

 設(shè)計(jì)培訓(xùn)資料料下載：電子科技大學(xué)_產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法.pdf

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