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1、熱設計目錄熱設計的基礎概念傳導、對流、輻射散熱方式的選擇123自然對流散熱和強制對流散熱4FLOTHERM簡介5電子設備的發(fā)展趨勢1. 熱耗上升化2. 設備小巧化3. 環(huán)境多樣化過熱-電子產品故障的首要原因(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)Figure 2: Major Causes of Electronics Failures 圖2：電子產品故障主要原因資料來源：美國空軍航空電子整體研究項目55%溫度20%振動6%粉塵19%潮濕Figure 1 : Junction Life Statistics(Source : GEC

2、Research)圖1：結點壽命統(tǒng)計故障率（10萬小時）資料來源：GEC研究院發(fā)熱問題被確認為電子設備結構設計所面臨的三大問題之一(強度與振動、散熱、電磁兼容)熱設計的基本要求滿足設備可靠性的要求滿足設備預期工作的熱環(huán)境的要求滿足對冷卻系統(tǒng)的限制要求熱設計工程師 與EE, ME, Layout等項目相關人員緊密配合，力求提高產品各方面性能并降低成本熱設計的基礎概念問題：熱的單位是什么？是？ 熱是能量的形態(tài)之一。與動能、電能及位能等一樣，也存在熱能。熱能的單位用“J”（焦耳）表示。1J能量能在1N力的作用下使物體移動1m，使1g的水溫度升高0.24。 1J=1Nm熱設計的基礎概念 設備會持續(xù)發(fā)熱

3、。像這樣，熱量連續(xù)不斷流動時，用“每秒的熱能量”來表示會更容易理解。單位為“J/s”。J/s也可用“W”（瓦特）表示。熱設計的基礎概念 100J的能量可使100g水的溫度升高約0.24。這并不是通過升高水的溫度消耗了100J的能量。而是在水中作為熱能保存了起來。 能量既不會憑空消失，也絕不會憑空產生。這就是最重要“能量守恒定律”。 是溫度單位。溫度是指像能量密度一樣的物理量。它只不過是根據能量的多少表現出來的一種現象。即使能量相同，如果集中在一個狹窄的空間內，溫度就會升高，而大范圍分散時，溫度就會降低。熱設計的基礎概念 電子產品接通電源后一段時間內，多半轉換的熱能會被用于提高裝置自身的溫度，而

4、排出的能量僅為少數。之后，裝置溫度升高一定程度時，輸入的能量與排除的能量必定一致。否則溫度便會無止境上升。熱設計的基礎概念 很多人會認為，“熱設計是指設計一種可避免發(fā)熱并能使其從世界上消失的機構”。 就像前面指出的那樣，說是“發(fā)熱”，但并非憑空突然產生熱能。說是“冷卻”，但也并不是熱能完全消失。 如下圖所示,熱設計是指設計一種“將 W的能量完全向外部轉移的機構”，其結果是可達到“以下”。大家首先要有一個正確的認識！ 。熱傳導傅立葉導熱定律： A為垂直于熱流方向的截面積；為材料的導熱系數，單位W/(mK)，它是表征材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數。導熱系數是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，兩側表面的

5、溫差為1度（K,C）,在1秒內，通過1平方米面積傳遞的熱量，單位為瓦/米度（W/mK,此處的K可用C代替）。它是表征材料導熱能力優(yōu)劣的物性參數。在30 C時，空氣的導熱系數為0.027 W/m C ，因此可以利用空氣夾層來絕熱，通常把導熱系數小于0.23 W/m C 的材料稱為絕熱材料。熱流量是指單位時間內通過某一給定面積的熱量，單位為W。熱傳導熱傳導定義熱流密度： 對傅立葉定律在一維導熱條件下積分，可得： 由此可得導熱熱阻計算公式為：熱流密度是指單位時間內通過單位面積的熱流量成為熱流密度。熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質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/

6、W或K/W。用熱功耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑上的溫升?？梢杂靡粋€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。熱傳導熱阻Rja：芯片的熱源結（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。熱阻Rjc：芯片的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發(fā)熱量即獲得結與殼的溫差。熱阻Rjb：芯片的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即獲得結 與單板間的溫差。熱傳導單層平壁導熱多層平壁導熱單層圓筒壁導熱多層圓筒壁導熱熱傳導接觸熱阻導熱介質導熱介質-導熱脂常由復合型導熱固體填料、高溫合成油（基礎油如硅油），并加有穩(wěn) 定劑和改

7、性添加劑調配而成的均勻膏狀物質，常用的導熱脂為白色，也 有灰色或金色的導熱脂等顏色。導熱顆粒通常采用氧化鋅、氧化鋁、氮化硼、 氧化銀、銀粉、銅粉等。1）為最常見的界面導熱材料，常采用印刷或點涂方式進行施加。 2)用于散熱器和器件之間，散熱器采用機械固持，最主要的優(yōu)點為維修方便,價格便宜。3）因可以很好的潤濕散熱器和器件表面，減小接觸熱阻，所以其導熱熱阻很小， 適合大功率器件的散熱。4）使用時需要印刷或點涂，操作費時，工藝控制要求較高，難度大。特點：導熱介質-導熱脂導熱介質-導熱脂導熱介質-導熱脂我公司現有導熱硅脂其他一些常用導熱硅脂供應商型號我司編碼導熱系數(W/mk)工作溫度（攝氏度）北京美

8、寶T-5010401001710.785-60200導熱介質-導熱膠特點：導熱介質-導熱膠導熱介質-導熱膠315導熱膠的使用方法：1、首先用酒精擦拭芯片和散熱器粘接面；晾干（約1min后即可）2、采用0.12mm的導熱膠印刷工裝，涂膠方式推薦為固化水涂在散熱器上，導熱膠涂在芯片表面。3、采用干凈的毛刷在散熱器上刷涂固化水，不超過2滴，使粘結面有潤濕的痕跡即可.然后待固化 水揮發(fā)15s1min后（不能超過30min），組裝上散熱器。4、采用5-10N的壓力，從中間均勻擠壓散熱器，以使膠層均勻分布，實現良好的粘結層；5、固化時，采用壓塊工裝施加約1psi的壓強，以控制膠層的厚度在0.15mm以下；

9、6、一般情況下，40min后，315膠的粘接強度可達到完全固化的80；24h后，315膠可完全固化。導熱介質-導熱墊主要應用及特點：主要用于當半導體器件與散熱表面之間有較大間隙需要填 充用于幾個芯片要同時要共用散熱器或散熱底盤時，但間隙不 一樣的場合用于加工公差加大的場合，表面粗糙度較大的場合。由于導熱墊的彈性，使導熱墊能減振，防止沖擊，且 便于安裝和拆卸。導熱介質-導熱墊導熱介質-導熱墊對導熱墊的性能要求和主要檢測項目：1）導熱系數和熱阻：熱性能滿足要求2）硬度：優(yōu)先選用硬度較低的材料3）絕緣性能：要求耐壓滿足產品需求（一般3KV）4）阻燃：要求材料阻燃級別達到V1及以上供應商型號我司編碼導

10、熱系數(W/mk)尺寸奧川科技SPE2-40-BK10401000291.24m厚;30.5mm30.5mm;黑色奧川科技SPE2-25-BK10401000301.22.5mm厚;23.5mm17.5mm；黑色奧川科技SPE2-10-BK10401000311.21mm厚;13mm18mm;黑色潤和科技K1000108120103211mm厚；200mm*400mm，硬度邵氏15-50，灰黑色我公司現有的導熱硅膠墊：導熱介質-相變導熱膜導熱介質-相變導熱膜導熱介質-導熱墊導熱介質-導熱雙面膠帶導熱介質-導熱雙面膠帶對流換熱牛頓冷卻公式：其中為對流換熱系數，單位W/(m2K)，表征了換熱表面的

11、平均對流換熱能力。A為參與熱交換的有效面積，T為表面溫度與流體溫度之差。由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：自然對流換熱系數在110W/(m2K)量級，實際應用時一般不會超過35 W/(m2K) ；強制對流換熱系數在10100 W/(m2K) 量級，實際應用時一般不會超過30 W/(m2K) 。幾個準則數的計算公式及物理意義：努塞爾數： 雷諾數：普朗特數：格拉曉夫數： L 特征尺寸，m； u 流體速度，m/s； cp 比熱容，kJ/(kgK)； 動力粘度，Pas； 導熱系數，W/(mK)； V 體膨脹系數，1； g 重力加速度，m/s2； T流體與壁面的溫差。是流體力學中的一個無量綱數，是表

12、示對流換熱強烈程度的一個準數, 又表示流體層流底層的導熱阻力與對流傳熱阻力的比雷諾數是流體力學中表征粘性影響的相似準則數。典型雷諾數：普通航空飛機：5 000 000小型無人機：400 000海鷗：100 000滑翔蝴蝶：7000圓形光滑管道：2320大腦中的血液流 ：100主動脈中的血流 1000普朗特數是由流體物性參數組成的一個無因次數，表明溫度邊界層和流動邊界層的關系，反映流體物理性質對對流傳熱過程的影響。它反映自然對流程度的特征數。 當格拉曉夫數相當大，約 Gr10E9 時，自然對流邊界層就會失去穩(wěn)定而從層流狀態(tài)轉變?yōu)槲闪鳡顟B(tài) 。所以格拉曉夫數Gr在自然對流過程中的作用相當于雷諾數 R

13、e 在受迫對流過程中的作用，其大小能確定邊界層的流動狀態(tài)。熱輻射任意物體的輻射能力可用下式計算鏡體是指反射比=1的物體。絕對透明體是指穿透比=1的物體。絕對黑體是指吸收比=1的物體。黑度：在一定溫度下，將灰體的輻射能力與同溫度下黑體的輻射能力之比定義為物體的黑度，或物體的發(fā)射率，用表示。熱輻射物體表面的輻射計算是及其復雜的，其中最簡單的是兩個面積相同且正對著的表面間的輻射換熱量計算公式：熱輻射電子設備冷卻方法的選擇溫升為40時，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值電子設備冷卻方法的選擇冷卻方法可根據熱流密度和溫升要求，按照下圖關系進行選擇。這種方法適用于溫升要求不同的各類設備由此圖可知，當元

14、件表面與環(huán)境之間的允許溫差T為60 時，空氣的自然對流（包括輻射）僅對熱流密度低于0.05W/cm2 時有效 。強迫風冷可使表面對流換熱系數大約提高一個數量級，如在允許溫差為100 時，風冷最大可能提供1W/cm2 的傳熱能力。電子設備冷卻方法的選擇電子設備中常用的冷卻方法能夠達到的對流換熱系數及表面熱流密度值如下表所示：電子設備冷卻方法的選擇設備內部的散熱方法應使發(fā)熱元器件與被冷卻表面或散熱器之間有一條低熱阻的傳熱路徑。利用金屬導熱是最基本的傳熱方法，其熱路容易控制。熱輻射換熱則需要比較高的溫差，且傳熱路徑不容易控制。對流換熱需要較大的面積，在安裝密度較高的設備內部難以滿足要求。大多數小型電

15、子元器件最好采用自然冷卻方法。自然對流冷卻表面的熱流密度為0.039W/cm2 。有些高溫元器件的熱流密度可高達0.078W/cm2 。強迫空氣冷卻是一種較好的冷卻方法。熱管的傳熱性能比相同的金屬導熱要高幾十倍，且兩端的溫差很小。應用熱管時，主要問題是如何減小熱管兩端接觸界面上的熱阻。電子設備冷卻方法的選擇電子設備自然冷卻為了說明機殼結構對電子設備溫度的影響，可以通過下圖所示的試驗裝置的試驗加以說明。其中熱源為80W，位于試驗裝置的中心位置，機殼用各種不同結構形式的鋁板制成，進行任意組合，可滿足不同結構形式的需要，試驗裝置404*304*324mm。電子設備自然冷卻密封機箱所有表面所散發(fā)的熱量

16、在工程上可以近似用下面的公式來估算：式中：密封機箱溫升的推算和散熱限度：電子設備自然冷卻密封機箱的散熱量取決于其表面積，若要求機箱的溫度保持在一定范圍內，對給定的機箱表面積，其所能散熱的熱量是有限度的。機箱表面積與散熱限度的關系如下圖：電子設備自然冷卻電子設備自然冷卻自然散熱的通風機箱主要經由機箱表面散熱和自然通風帶走熱量兩種方式來進行散熱：式中：通風機箱溫升的推算和散熱限度：通風機箱的散熱受到機箱表面積和通風孔面積的限制。500mmX500mmX200mm和300mmX300mmX100m兩種表面積的機箱的通風孔面積與散熱量之間的關系如下圖所示：電子設備自然冷卻當內部發(fā)熱量與所要求的溫升值是

17、確定的，則可由上圖估算出這時所必須的通風孔面積。若超出了這一限度，就要采用強迫風冷方式。電子設備自然冷卻-散熱器選擇自然冷卻散熱器的設計要點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生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。電子設備自然冷卻-散熱器選擇自然冷卻散熱器的設計要點由于自然對流達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足夠，

18、以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于3mm以上。散熱器基板厚度對散熱器的熱容量及散熱器 熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，上圖表示出了基板厚度的最 佳范圍。對分散式散熱來將，基板厚度一般為3-6mm為最佳。一定的冷卻體積及流向長度下，按下表確定散熱器齒片最佳間距的大小冷卻條件流向長度(mm)75150225300自然冷卻6.57.51013電子設備自然冷卻機箱輻射換熱的考慮對于自然冷卻的機箱，大部分需承擔散熱器的功能，其表面溫升一般較高，約25-40，其表面的輻射換熱量在整個機箱的散熱量中占有較大的比重，有些甚至成為主要的散熱途徑，所以，在進行機箱的散熱計算時，不能忽略輻射換熱，可按下

19、式進行計算：Q輻射4S(Ts4-Ta4)S機箱的有效面積，m2 斯波爾茲曼常數，為5.6710-8W/m2.K-輻射系數Ts-機箱的表面溫度，KTa環(huán)境溫度，K 必須牢記，電子設備由于溫度不是太高，輻射波長相當長，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， 所以在考慮機箱的輻射換熱時，必須同時考慮機箱表面輻射吸收的熱量及機箱表面輻射散出的熱量。電子設備自然冷卻系統(tǒng)風道設計的一些基本原則：進、出風口盡量遠離，以強化煙囪效果。出風口盡可能設計在系統(tǒng)的頂部。在機柜的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，以利于形成有效的煙囪。系統(tǒng)后部應留一定空間以利于氣流順暢流出。

20、為了避免下部熱源對于上層熱源的影響，可采用隔板形成獨立風道。為了避免熱空氣流入配電單元而影響其可靠性，可把氣流風道隔離，形成完整、獨立的風道。機箱的選材如果需利用模塊的機箱作為散熱器，則模塊機箱必須選用鋁合金材料，且模塊內壁不得進行拉絲處理，材料的厚度不得低于1.5mm。如果不利用機箱進行散熱，則模塊機箱選材不受限制。電子設備自然冷卻電子設備自然冷卻 系統(tǒng)為自然對流獨立散熱風道，機柜出風口在后門的頂部或頂部。模塊或插框為前后通風冷卻。機柜后面的風道要求有足夠的寬度，通常推薦大于200mm以上。配電單元如果位于系統(tǒng)頂部，需與風道隔離，以避免熱空氣對配電元器件的影響。除進、出風口外，其它部位須完全

21、密封。系統(tǒng)為自然對流獨立散熱風道，機柜出風口在后門的頂部或頂部。模塊或插框強迫風冷且必須為上下風道。機柜后面的風道要求有足夠的寬度，通常推薦大于200mm以上。配電單元如果位于系統(tǒng)頂部，需與風道隔離，以避免熱空氣對配電元器件的影響。除進、出風口外，其它部位須完全密封。電子設備強迫通風冷卻整機通風冷卻設計的焦點在于合理控制氣流與分配氣流，使其按照預定的路徑通行，并將氣流合理地分配給各單元和組件，使所有元器件均在稍低于額定的溫度下工作。 元器件排列時，應將不發(fā)熱或發(fā)熱量小的元器件排列在冷空氣的上游（靠近進風口處），耐熱性差的元器件排列在最上游，其余元器件可按照耐溫的高低逐一排列。在不影響電性能的前

22、提下，將發(fā)熱量大的元器件集中在一起，并與其他元器件采用熱絕緣的辦法，進行單獨的集中通風冷卻。這樣可使系統(tǒng)所需風量、風壓顯著下降，以減少通風機的電機功率。為了降低空氣的輸送阻力，各元器件在單元內排列時，應力求對空氣的阻力最小，盡量避免在風道上安裝大型元器件以免造成阻塞。整機通風系統(tǒng)的進、出風口應盡量遠離，以避免氣流短路。為提高主要元器件的換熱效率，可將元器件裝入與其外形相似的風道內，進行單獨的集中通風冷卻。電子設備強迫通風冷卻最簡單的抽風風道，由機柜底部進風。流場分布均勻，各區(qū)域換熱強度相差不大。但如果風道中有較大的縫隙，則會形成氣流部分短路，下面區(qū)域的通風量將大大降低。下面區(qū)域的熱量依然被帶入

23、上面的區(qū)域。機柜內為負壓，灰塵將通過縫隙進入機柜。風扇框串聯風道，適用于機柜風阻較大的情況?？拷L扇出風口的部分換熱最強烈，但要注意風扇的HUB附近將形成回流死區(qū)。中間插框由于上下風扇串聯，氣流不能充分擴散，靠近拉手條和母板的部分風速會比較低，宜將發(fā)熱元器件與熱敏元器件布于單板的中間。如果單板較深，根據需要在深度方向上可采用兩排風扇。風扇也可分別置于機柜的頂部和底部，但噪音將比置于插框間大。電子設備強迫通風冷卻插框獨立抽風散熱風道，適用于各框散熱量都比較大的情況，各插框散熱互不干擾。機柜由開孔前門進風，頂插框可以上出風，下面的插框后出風。采用軸流風扇時，出風直接受阻擋，風阻較大。如果機柜不宜做

24、得較深，必須在后門開孔，并且機柜離墻有足夠的距離；如果機柜可以做得較深，可以在后門與母板間流出足夠寬度的空間作為風道，將風從機柜頂部排出，由于風道多次垂直轉彎，將形成較大的風阻，宜在后風道安裝導風裝置或采用離心風扇。注意，由于進風為水平方向，單板的右上區(qū)（拉手條端）將形成回流區(qū)，此處不宜布置熱流量較高的元件和熱敏元件。此為寬帶傳輸的機柜風道，插框獨立散熱。兩個子框采用鼓風方式，最下面的插框自然散熱。風扇斜放的角度盡量大于45，避免風扇進風不利和產生較大的噪音。風扇前面的斜板為防塵板，在這里安置防塵板，可以增加防塵面積，減小阻力，均化流場。如圖可見，采用鼓風方式的獨立風道將大大增加機柜高度。電子

25、設備強迫通風冷卻這是典型的機箱通風風道設計，采用離心風扇抽風，向后排出，進風口在機箱前下方。威圖和國外一些產品都采用這種風道。我們目前掌握的離心風扇資料中沒有合適的型號可用于這種設計，主要因為離心風機的風量過小，尺寸大，噪音也大。如果沒有合適的離心風扇型號可選，可用軸流風扇豎放代替，但風扇模塊將占用較大高度空間。如果機箱高度有限制，可將風扇平放，但風扇出風口上方還是得留有一定出風空間，至少40mm，如風道4中的風扇框一樣，這種方式風阻較大，對風量有一定影響，需要采用較大尺寸風扇。電子設備強迫通風冷卻Motorola CPX8216機箱風道。采用可變速軸流風扇鼓風，風扇豎放，風扇的出風口處裝有導

26、風葉片，將氣流按系統(tǒng)熱量分布分為三個部分，一部分冷卻電源模塊，一部分冷卻后插單板部分和前插單板的后半部分，一部分冷卻前插單板靠近拉手條的發(fā)熱元器件。這種設計使結構緊湊，風量合理分配。電子設備強迫通風冷卻-機箱的熱設計1，風扇側的通風面積 無論是抽風還是吹風方式，安裝風扇側的通風面積即為風扇的流通面積，按下式計算： SK0.785(Dout2-DHUB2) S-風扇側機箱的通風面積，m2 k-冗余系數，取1.1-1.2 Dout 風扇框的內直徑，m DHUB 風扇中心HUB的直徑，m 模塊的通風面積2，非風扇側的通風面積如果抽風風扇，非風扇側的通風面積大于等于風扇側的通風面積 。如果吹風風扇，考

27、慮到空氣受熱體積膨脹的因素，非風扇側的通風面積=(1.5-2.0)風扇側的通風面積 。電子設備強迫通風冷卻-散熱器 機箱的表面處理從熱設計角度，無論機箱還是散熱器，不推薦表面進行任何處理，額外的表面處理對散熱貢獻較小，卻增加了產品成本。強迫風冷散熱器的設計要點在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm,增加散熱器的齒片數。目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內目前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，可采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。采用針狀齒的設計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數。電子設備強迫通

28、風冷卻-散熱器散熱器基板厚度與熱阻的關系曲線不同通風條件下散熱器的最佳齒間距散熱器基板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，左圖表示出了基板厚度的最佳范圍。對分散式散熱來講，基板厚度一般為3-6mm為最佳。散熱器齒間距的確定：散熱器齒間距的大小與風速有較大的關系，不同通風條件，其最佳的齒間距是不一樣的，右圖表示出了常見通風風速下最佳的齒間距。電子設備強迫通風冷卻-散熱器散熱器齒片厚度的確定：不同的齒片厚度，其對應的齒間距是不一樣的，如下圖所示。不同齒厚對應的最佳齒間電子設備強迫通風冷卻-散熱器一定的冷卻體積及流向長度下，按下表確定散熱器齒片最佳間距的大小冷卻

29、條件流向長度(mm)75150225300自然冷卻6.57.510131.0m/s(200)4.05.06.07.02.5m/s(500)2.53.34.05.05.0m/s(1000)2.02.53.03.5散熱器的表面處理安裝元器件的散熱器表面的光潔度Ra1.6m，平面度小于0.1mm。安裝元器件的散熱器表面不能進行拉絲處理。散熱器表面原則上不需要任何表面處理，因為進行表面處理對熱性能的改善貢獻較小，而成本增加確實顯著的。電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇多個風扇的安裝位置由于風扇出口風速的方向與風扇進口風速方向一般成約45角，即呈現倒園錐的流場分布，所以在吹風應用的場合，要求兩個風扇之間最

30、好加一個隔板或保持一個風扇厚度的間距，以避免兩股流相交而產生的噪音和死區(qū)。電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇風扇與最近障礙物間的距離要求為了避免風扇太靠近被冷卻物體而產生噪音，建議在吹風應用場合，風扇與單板風道入口至少應保持一個40mm的距離，以大于風扇直徑為最佳。下圖顯示了在吹風時與抽風時，風扇與障礙物之間的距離對風扇靜壓曲線的影響，從圖中可以看出，在吹風時，只有在風扇與障礙物之間的距離大于75mm時其影響才較小，而在抽風時，在風扇與障礙物之間的距離大于50mm時其影響也較小。吹風時風扇與障礙物之間的距離對風扇靜壓曲線的影響抽風時風扇與障礙物之間的距離對風扇靜壓曲線的影響電子設備強迫通風冷卻-

31、風機的選擇消除風扇SWIRL影響的措施由于風扇旋轉慣量SWIRL的影響，加之實際產品不可能有足夠的空間允許流場能夠充分發(fā)展，所以風扇后的流場在到達障礙物時存在明顯的死區(qū)，如圖14所示。如果不考慮這一點，把功率較大的元器件布置在此處，該元器件極可能應過熱而損壞。為了消除SWIRL的影響，可選擇以下措施：電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇在風扇出口與障礙物之間加整流柵，整流柵厚度大于2mm，強迫流場在經過整流柵后變得非常均勻，如下圖所示。如果不能加整流柵，必須保證風扇出口到障礙物間的間距大于于一個風扇的直徑，以使流場能夠充分發(fā)展而變得較均勻。 如果以上兩條測試都無法實現，可通過仿真分析得出流場的分布

32、圖，再在PCB布局時避免把損耗較大的元器件布置在死區(qū)。電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇抽風條件下對風扇選型的限制選擇風扇一般以風扇進出口風溫的大小作為限制條件，對吹風條件下，進出口風溫一般沒有限制。而對于抽風的情況，由于風扇抽出的是熱風，對風扇的壽命將產生嚴重的影響。對風扇廠家，一般均以60作為標定風扇壽命MTBF的條件，如果風扇應用的環(huán)境溫度高于60，則溫度每升高5，風扇壽命下降一半。所以抽風條件下，風扇選擇應遵循以下原則：如果進入風扇的風溫高于60時，應考慮選用高溫風扇以保證風扇的使用壽命。如果進入風扇的風溫低于60時，一般以(60-環(huán)境溫度)作為限制條件來選擇風扇。例如：如選用的風扇廠家

33、所采用的風扇壽命MTBF標定溫度為60，設備使用的環(huán)境溫度為45，則應以(60-45)=15作為選擇風扇風量的限制條件。電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇降低風扇噪音的原則風扇產生的噪音與風扇的工作點或風量有直接關系，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，如圖所示，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)，考慮合適的熱設計冗余，保持最佳的熱性能與噪音之比值。一般來講，稍微降低產品的溫度要求將導致產品噪音明顯降低；此外，由于在選擇風扇時總是以產品工作的最嚴酷的狀態(tài)來選定風扇的型號，而實際上產品總是工作在正常的額定功率或半載狀態(tài)下，

34、所以風扇的冗余就顯得過大，噪音也就降不下來，如果考慮合適的冗余或通過控制風扇的轉速就可大大降低產品的噪音水平。盡可能降低系統(tǒng)的流動阻力，低的流動阻力意味可以選用低轉速的風扇，其噪音水平也會相應降低。風扇靜壓曲線與噪音變化曲線的對比圖電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇合理調整系統(tǒng)阻力與風扇的匹配，使風扇的工作點處于最佳的工作區(qū)域，而在最佳工作區(qū)域內風扇具有較低的噪音水平。相同的風速，推薦選用大一號的風扇更有利于降低系統(tǒng)的噪音。避免把障礙物放在靠近風扇的氣流速度較高的區(qū)域。在風扇與結構件間加橡膠墊，以消除風扇振動而產生的噪音。把風扇安裝在機箱內側比安裝在外側噪音小。把障礙物放在風扇的進風側附近比放在

35、風扇的出風側產生的噪音大。風扇進風口受阻擋所產生的噪音比其出風口受阻擋產生的噪音大好幾倍，所以一般應保證風扇進風口離阻擋物至少30mm的距離，以免產生額外的噪音。 對于不得不采用大風量，高風壓風扇從而產生較大噪音的情況，可以在機柜的進風口、出風口、前后門內側、風扇框面板、側板等處在不影響進風的條件下貼吸音材料，吸音效果較好的材料主要是多孔介質，如玻璃棉，厚度越厚越好。有時由于沒有合適的風機而選擇了轉速較高的風機，在保證設計風量的條件下，可以通過調整風機的電壓或其他方式降低風扇的轉速，從而降低風扇的噪音。電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇確定風扇型號的方法先計算實際所須風量： q=Q/(0.335

36、T) q-實際所需的風量，m3/h Q-散熱量，W T- 空氣的溫升，一般為1015確定風扇的型號按經驗公式：按照1.5-2倍的裕量選擇風扇的最大風量： q=(1.5-2)q 按最大風量選擇風扇型號。按確定工作點的方法把風道曲線與風扇的靜壓曲線繪在一張圖上，其交點就是風機的工作點。工作點對應的風量若大于冷卻風量，風扇即滿足要求，否則重新選擇風扇，重復上面的工作，直到滿足要求為止。電子設備強迫通風冷卻-風機的選擇吹風與抽風方式的選擇原則優(yōu)先采用吹風方式，吹風有如下優(yōu)點：風量相對較集中，可以以較大的風速針對局部區(qū)域進行集中冷卻。能夠有效防止風扇馬達過熱，提高風扇的使用壽命?？梢砸暂^大的壓力迫使灰塵

37、不能夠在機箱內聚積，而通過出風口或縫隙流出，原則上可省掉防塵網。只有在以下情況下才選擇抽風：希望流場規(guī)則或呈現層流。進風口無法安裝風扇。不希望風扇馬達加熱空氣而對后面的元器件產生影響。電子設備強迫通風冷卻-風機的串并聯風扇的種類常用風扇有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）三種，如右圖。 圖中橫坐標表示風量，縱坐標表示風扇產生的靜壓。由圖中可以看出，要使風扇的風量越大，其產生的靜壓就越小，用于克服風道阻力的能力就越小。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、

38、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。電子設備強迫通風冷卻-風機的串并聯空氣流過風道將產生壓力損失。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

39、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，均和當地風速的平方成正比圖中表明風扇在該系統(tǒng)中工作時的風量為35m3/s，產生的靜壓為30Pa，系統(tǒng)的壓力損失為30Pa。如果工作點顯示的風量不滿足設計要求，則需要選擇其他型號的風扇來匹配，或設法降低系統(tǒng)阻力，增加風量。電子設備強迫通風冷卻-風機的串并聯風扇的串并聯 在機柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量，采用風扇并聯使用的方式。風扇并聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加，如左下圖所示，實際上一般會比理想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯使用產生的風量并不是僅采用一個風扇時產生風量的兩倍，可能只增加30%，這和系統(tǒng)阻力特性曲

40、線在工作點附近的斜率大小有關。如果系統(tǒng)阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯的數目多到一定程度時，并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯風扇數目不要超過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。當機柜/箱的阻力較大時，可以采用風扇串聯使用的方式。風扇串聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的縱向疊加，如右所示，實際曲線一般會比理論曲線略低。電子設備強迫通風冷卻-風機的串并聯在實際安裝情況下風扇特性曲線的改變風扇安裝在系統(tǒng)中，由于結構限制，進風口和出風口常常會受到各種阻擋，其性能曲線會發(fā)生變化，如右圖所示。由圖中可以看出，風扇的進出風口最好與阻擋物有40mm的距離，如果有空間限

41、制，也應至少有20mm。電子設備強迫通風冷卻-防塵對散熱影響由于吹風與抽風方式對灰塵的吸附強弱是不一樣的，因而對是否安裝防塵網的需求也不一樣。一般來講，安裝防塵網后，元器件的溫升將升高1015，在決定安裝防塵網的產品，必須考慮1015的熱設計冗余。抽風方式的防塵措施 對抽風來講，由于外部壓力大于模塊內部的壓力，灰塵非常容易進入模塊并附著在模塊內部的PCB表面及功率管表面，嚴重影響產品的散熱性能及電氣性能，所以，抽風條件下，必須安裝防塵網。吹風方式下的防塵措施 對吹風來講，由于外部壓力小于模塊內部的壓力，灰塵即使進入模塊內部，也不容易附著在模塊內部的PCB表面及功率管表面上，在壓差的作用下，進入

42、模塊內部的會通過出風口或機箱的縫隙飛出，所以，在吹風條件下，實際上不需要安裝防塵網。當然，為了照顧特殊應用的場合如室外或比較臟的地方，也可以把防塵網作為選件提供給用戶，但選用使用防塵網時，產品必須降額使用。如果不加防塵網，散熱器的體積可以減小20，散熱成本至少可以減少30，而噪音水平也就更加容易達到標準了。FLOTHERM簡介-了解散熱性能的方法了解散熱性能的數值方法:CFD (Computational Fluid Dynamics)實驗研究優(yōu)點：直觀，可靠缺點：昂貴，周期長數值仿真(CFD)優(yōu)點：周期短，成本低，限制：數學模型的適用程度FLOTHERM簡介-仿真的基本思想CFD的基本思想是

43、把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。1D012f1f22D(1,1)(0,1)(1,0)(2,1)(1,2)f1f2f3f43DFLOTHERM簡介-傳熱的三種基本形式 導 熱Fourier 定律： 對 流Newton 冷卻定律： 輻 射Stefan-Bolzman 定律：FLOTHERM簡介-控制方程能量守恒方程動量守恒方程質量守恒方程T1 m1T2 m2 Hot componentQ12 p1 V1 p2V2 速度大，則壓力小，速度小

44、，則壓力大12V1 A1V2 A2A1 V1 = A2 V2 FLOTHERM簡介-主要模塊FloTHERM 軟件FloTHERM 核心熱分析模塊簡單的建模方式：節(jié)省建模時間笛卡爾網格：加快計算速度集成的經驗公式：加速計算并保證準確度Visual Editor結果動態(tài)后處理模塊簡單的操作：節(jié)省后處理時間豐富的結果表現形式：方便項目人員的協(xié)作溝通Command Center優(yōu)化設計模塊先進的優(yōu)化算法：保證優(yōu)化結果的可靠性目標驅動的自動優(yōu)化設計：減少工程師的工作量FloMCAD.BridgeCAD軟件接口模塊支持多種模型格式：適用范圍廣泛方便的操作：縮短建模時間FloEDAEDA軟件高級接口支持多

45、種EDA格式：方便電子工程師與熱工程師協(xié)同工作包含走線、器件參數、過孔等詳細信息的模型讀入：保證模型準確性準確的模型簡化方法：保證結果準確度的同時減少計算時間FloTHERM.Pack標準IC封裝模型庫豐富的IC模型：方便下載以減少建模時間歐盟資助的生成模型算法：保證模型準確度FLOTHERM簡介-使用流程Pre-ProcessingModelingMeshing Boundary conditions Initial conditions Sources Material properties Physical modelsSolverMonitoringFLOTHERM簡介-使用流程Pos

46、t-ProcessingTemperature ProfileSpeed VectorCommand center 優(yōu)化Different CasesSolve ProgressFLOTHERM簡介-用戶界面介紹Project Manager 項目管理器提供樹狀結構的幾何體和模型數據管理Drawing Board （模型）繪圖板提供創(chuàng)立和修改幾何模型的簡易界面，面向對象的建模技術，專業(yè)針對電子熱分析的參數化模型，完全三維CAD風格FLOTHERM簡介-用戶界面介紹Table 數據表窗口提供輸入輸出參數的數據表輸出Visual editor 圖形輸出窗口提供結果的圖形動態(tài)輸出FLOTHERM簡介-文件結構庫文件區(qū)項目文件索引文件FLOTHERM簡介-文件結構 首先FLOTHERM軟件借助四個目錄管理文件管理每個項目文件 千萬別去嘗試去修改項目文件中名中的數字串項目文件夾FLOTHERM簡介-定義一個新項目定義項目名稱定義散熱環(huán)境以及散熱方式