換熱器原理與設(shè)計第五章電子設(shè)備的自然冷卻設(shè)計課件

第五章第一講

電子設(shè)備的自然冷卻設(shè)計自然冷卻包括傳導、自然對流和輻射換熱。具有安全、可靠、價格便宜、維修量小等優(yōu)點，如滿足要求應(yīng)優(yōu)先選用。自然冷卻用印制板的選取

適用于電子設(shè)備的印制板的品種較多，為了提高其傳熱（導熱）性能，目前常用的有以下幾種散熱印制線路板。在印制線路板上敷有導熱金屬板的導熱板式散熱印制板在印制線路板上敷有金屬導熱條的導熱條式散熱印制板在印制線路板中間夾有導熱金屬芯的金屬夾芯式散熱印制板5.2印制板上電子元器件的熱安裝技術(shù)

安裝在印制板上的元器件的冷卻，主要依靠導熱提供一條從元器件到印制板及機箱側(cè)壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板的安裝形式如下圖所示。豎直放置、平行排列。

其它情況的最佳間距值如下表所示。對于依靠自然通風散熱的印制板，為提高它的散熱效果，應(yīng)考慮氣流流向的合理性。對于一般規(guī)格的印制板，豎直放置時的表面溫升較水平放置時小。豎直安裝的印制電路板，最小間距應(yīng)為19mm，以防止自然流動的收縮和阻塞。上述間距下，在71℃的環(huán)境中，對于小型印制電路板上熱流密度為0.0155W/cm2的組件，其表面溫度約為100℃（即溫升約為30℃）。自然對流冷卻印制電路板耗散功率的許用值為：0.0155W/cm2

。5.2.2自然對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算式第93頁表5-2機箱加裝散熱片5.5電子設(shè)備機柜和機殼的設(shè)計

采用自然冷卻的電子設(shè)備外殼可作為氣流通道。下圖所示是電子設(shè)備自然散熱的路徑?？梢钥闯鰴C殼是接受設(shè)備內(nèi)部熱量，并將其散發(fā)到周圍環(huán)境中去的一個重要組成部分，故機殼結(jié)構(gòu)對電子設(shè)備的自然冷卻顯得格外重要。機殼表面的最大熱流密度不得超過0.039W/cm2。機柜表面溫度不得高于周圍環(huán)境溫度（機房）10℃。外殼必須與底座和支架有良好的導熱連接。熱路中的大部分熱阻存在于接合交界面處。所有金屬間的接觸面必須清潔、光滑，并且接觸面積應(yīng)盡可能大，且應(yīng)有足夠的接觸壓力。鋁材鉚接界面處的熱阻與金屬厚度和鉚釘面積有關(guān)，其熱阻值為6.45～25.8cm2·℃/W。金屬厚度以0.25～0.5cm為宜。機殼開孔的大小應(yīng)與冷卻空氣進、出流速相適應(yīng)，且壓降應(yīng)小于熱空氣的浮升壓力。進氣孔的總面積可按下式計算：式中：A0——進風孔面積，cm2；

Φ0

——通風孔應(yīng)散熱流量，W；H——自然冷卻設(shè)備機箱高度，cm； Δt=t2－t1；t2——設(shè)備內(nèi)部空氣溫度，℃；

t1——設(shè)備外部周圍環(huán)境溫度。

第二講電子設(shè)備強迫空氣冷卻設(shè)計2.1強迫空氣冷卻的熱計算2.2通風機2.3系統(tǒng)壓力損失及計算2.4強迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計2.5通風管道的設(shè)計2.6強迫空氣冷卻的機箱和機柜設(shè)計2.1強迫空氣冷卻的熱計算強迫空氣冷卻換熱計算的難點在于固體壁面和空氣之間對流換熱系數(shù)的確定。對流換熱系數(shù)的大小與流體流動的狀態(tài)（層流或紊流）、流體的物性參數(shù)、換熱面的幾何形狀和位置等有關(guān)。判斷流體流動狀態(tài)的準則是雷諾數(shù)Re。對于管內(nèi)流動，當Re≤2200時，流動屬層流；當Re＞104時，流動屬紊流；中間值時流動屬層流向紊流過渡的過渡狀態(tài)。一、環(huán)境的影響環(huán)境通過對空氣物理特性的影響來改變強迫對流換熱過程?？諝獾膶嵯禂?shù)、粘度、比熱及密度等均隨環(huán)境條件而變化。空氣的導熱系數(shù)一般不受壓力的影響，只有當壓力低于1360Pa時，導熱系數(shù)隨壓力降低而降低。導熱系數(shù)也隨溫度的降低而降低。空氣的動力粘度μ隨溫度的升高而增大，而不受壓力的影響。

干燥空氣的密度可由下式計算：式中：ρ——空氣密度，kg/m3；

t——溫度，℃；P1——使用大氣壓力，Pa。三、對流換熱在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用流體在管內(nèi)或槽內(nèi)流動對非圓形截面管道來說，公式中所用的當量直徑為：式中：A——管道橫截面積，m2；

U——濕周長度，m。空氣以湍流狀態(tài)流經(jīng)管道掠過圓柱體或?qū)Ь€（表5-5，120頁）流過球體平行于平面（或板）Re在400-1500的層流，帶散熱片的冷板和熱交換器的傳熱因子2.2通風機通風機可分為離心式（下圖(a)）和軸流式下圖(b)兩類。二、軸流式風機

軸流式風機的特點是風量大、風壓小。根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為螺旋槳式、圓筒式和導葉式三種。其中螺旋槳式壓力最小，一般用于空氣循環(huán)裝置。圓筒式和導葉式用于中、低系統(tǒng)阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設(shè)備的冷卻。三、風機性能主要性能參數(shù)：風量、風壓、功率和效率風壓：全壓（揚程,動壓+靜壓），動壓（動能），靜壓（相對壓力，皮托管全壓和靜壓）功率：風量×風壓效率：風機功率／軸功率三、通風機特性曲線通風機特性曲線是指通風機在某一固定轉(zhuǎn)速下工作時，靜壓、效率和功率隨風量而變化的關(guān)系曲線。其中風量與靜壓關(guān)系曲線最為常用。上圖是前彎式離心式通風機的特性曲線。特性曲線中存在一效率最高的點，當通風機工作在該點附近時，這就需要選擇最佳通風機，以便滿足空氣流量和靜壓的要求。四、系統(tǒng)阻力特性與通風機工作點的確定通風機的總壓力是用來克服系統(tǒng)（或通風管道）的阻力的，并在出口處形成一定的速度頭。系統(tǒng)（或通風管道）的阻力曲線是通風冷卻系統(tǒng)的靜壓與空氣流量的特性曲線，與流量的平方成正比。右圖中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線分別代表不同系統(tǒng)（風道）的特性曲線。系統(tǒng)（阻力）特性曲線與通風機的特性曲線的交點就是該通風機的工作點。六、通風機的串聯(lián)和并聯(lián)使用當所選通風機的風量或風壓不能滿足要求時，可考慮通風機的串聯(lián)或并聯(lián)方式。通風機的串聯(lián)使用

當通風機的風量能滿足要求，而風壓不夠時，可采用兩只通風機串聯(lián)的工作方式。

通風機串聯(lián)后總風量基本上是每臺風機的風量（略有增加），總風壓為相同風量下兩臺通風機風壓相加。

因此當風道特性曲線比較陡時，即風道阻力較大時，可采用串聯(lián)形式。

通風機的并聯(lián)使用

通風機并聯(lián)使用時，其風壓比單個風機的風壓稍有提高，而總風量是各通風機風量之和。

當風道特性曲線比較平坦，需增大風量時，可采用并聯(lián)系統(tǒng)。2.3系統(tǒng)壓力損失及計算系統(tǒng)壓力損失（也稱壓降）包括兩部分：①

沿程壓力損失。它是由流體流經(jīng)管道壁面時與壁面之間的摩擦引起，也稱為靜壓損失。②局部壓力損失。它是由流體進、出口以及流經(jīng)彎頭、截面突變、濾網(wǎng)等處引起的，也稱為動壓損失。一、沿程壓力損失式中：Δpl

——沿程壓力損失，Pa；v

——空氣平均流速，m/s；

f——沿程阻力系數(shù)；ρ——空氣密度，kg/m3；

l

——管道長度，m；de

——當量直徑，m。對于光滑的管道，其沿程阻力系數(shù)f只是Re的函數(shù)，可用下列公式計算：a.層流時：b.紊流且Re≤105時：c.紊流且105＜Re＜3×106時：對于粗糙管道，沿程阻力系數(shù)f是Re及管壁相對粗糙度的函數(shù)，可由下圖查得。常用管道的絕對粗糙度ε(mm)如下表所示。二、管道局部壓力損失當流體的速度和方向發(fā)生變化時所引起的局部壓力損失由下式計算：式中：Δpc

——局部壓力損失，Pa；

Σζ——局部阻力損失系數(shù)之和，其值如下各表所示；ρ——空氣密度，kg/m3；v

——空氣平均流速，m/s。三、壓力損失計算的基本類型已知流速、長度、直徑、粘度及粗糙度求壓力損失。在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，這是最常見的問題。在這類問題中，流速是由所需要的冷卻量確定的；已知壓力損失、長度、直徑、粘度及粗糙度求流量。在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中，一般沒有這種情況，因為流量總是由散熱量確定的；已知壓力損失、流量、長度、粘度及粗糙度求直徑。例如利用一臺給定的鼓風機，這時管道尺寸將由允許的壓降來確定。2.4強迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計強迫空氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計的步驟包括：1.根據(jù)散熱要求，確定冷卻空氣入口和出口的溫度（推薦低于70度）和壓力；2.根據(jù)可靠性要求確定每個元器件的最高允許溫度（或溫升）3.根據(jù)電性能和空間位置以及冷卻功率的要求確定元器件的排列和布置方式；4.確定雷諾數(shù)；5.根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸和雷諾數(shù)，計算空氣流過每個電子元器件或元器件組的質(zhì)量流量（或體積流量）；6.計算系統(tǒng)的總壓力損失及需要的冷卻功率。一、電子元器件的風冷設(shè)計

大功率晶體管的外表面積不夠大，不能滿足直接強迫空氣冷卻，必須采用擴展表面的散熱器。

大規(guī)模集成電路的功率密度比較大，可以采用直接強迫空氣冷卻。應(yīng)使其一個平面暴露在流速較高的風道中進行冷卻。

電阻器成組安裝時，它們之間的空隙應(yīng)盡可能地大。當電阻器裝在一塊垂直板或底座上時，電阻器的軸線必須垂直。當電阻器軸線呈水平方向時，電阻器必須叉排，以提高其紊流程度和冷卻效果。電子設(shè)備用的變壓器和電感器內(nèi)熱阻很大，因此采用強迫風冷時，變壓器與散熱器之間應(yīng)具有低熱阻的傳熱路徑。二、穩(wěn)流器強迫空氣冷卻時，就局部冷卻而言，紊流比層流的效果要好。

強迫空氣冷卻的設(shè)備應(yīng)保證紊流出現(xiàn)在靠近發(fā)熱器件的表面，其措施是適當?shù)厥篃嵩聪嗷タ拷?，或者靠近管道壁使距離間隙縮小，或者加裝穩(wěn)流器以便增加其紊流程度。右圖(a)是在垂直于氣流方向上裝一個穩(wěn)流器，圖(b)是在熱源前放一橫排小棒的穩(wěn)流器。三、印制板組件的強迫空氣冷卻當不允許冷卻空氣和器件表面直接接觸時，可以把印制板組件背靠背形成一個空芯冷卻空氣通道進行冷卻。如右圖所示。空芯印制板風冷設(shè)計的主要問題是密封。風道類型113頁1射流式5-192水平5-203變截面5-214隔板式5-222.5通風管道的設(shè)計盡量采用短而直風道輸送空氣避免采用急劇拐彎和彎曲的風道?？刹捎脷怏w分離器和導流器，以減小阻力損失避免驟然擴展或驟然收縮。擴展的張角不得