換熱器原理與設(shè)計(jì)第三章電子設(shè)備用冷板設(shè)計(jì)課件

第3章電子設(shè)備用冷板設(shè)計(jì)3.1概述3.2冷板的結(jié)構(gòu)類型及選用原則3.3冷板的換熱計(jì)算3.4冷板的設(shè)計(jì)步驟3.1概述冷板——一種單流體（空氣、水或其它冷卻劑）的 熱交換器。常作為電子設(shè)備底座。氣冷式冷板的功率密度：1.5W/cm2液冷式冷板的功率密度：5W/cm2冷板傳熱系數(shù)高的原因在于：⑴具有高導(dǎo)熱系數(shù)；⑵冷板通道的當(dāng)量直徑較??；⑶采用有利于增強(qiáng)對(duì)流換熱的肋表面幾何形狀。2.2冷板的結(jié)構(gòu)類型及選用原則冷板的類型一般可分為：⑴氣冷式冷板——以空氣為冷卻介質(zhì)；⑵液冷式冷板——以液體（水或其它冷卻劑）為介質(zhì)；⑶儲(chǔ)熱冷板——冷劑在相變過程中吸收熔解熱；⑷熱管冷板——熱管與冷板相結(jié)合。冷板選用可根據(jù)設(shè)備以及元件的熱流密度、熱源分布、許用溫度、壓降及工作環(huán)境。肋片的幾何參數(shù)：肋片厚度：0.1～0.25mm；間距：5～8片/cm，最大

可達(dá)16片/cm;高度：2.5～20mm。肋片幾何參數(shù)選擇要點(diǎn)：⑴可根據(jù)冷板的工作環(huán)境條件（濕度、氣壓、溫度和污染度等）選擇肋片的形狀、肋間距和肋厚。⑵冷板的工作壓力一般應(yīng)低于2.0MPa。⑶表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大時(shí)，選厚的和高度低的肋片；表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小時(shí)，選高而薄的肋片，以提高換熱面積。⑷當(dāng)冷板表面與環(huán)境之間的溫差較大時(shí)，宜選用平直形肋片（如三角肋，矩形肋）；溫差小時(shí)，選百葉窗式或鋸齒形肋。蓋板、底板、隔板鋁制，釬焊封條鋁制，多種結(jié)構(gòu)形式液冷式冷板常見液冷式冷板的組成如圖3-4所示。三、儲(chǔ)熱冷板儲(chǔ)熱冷板用相變材料一般應(yīng)保證其發(fā)生相變的溫度大于冷板的初始溫度，熔解溫度應(yīng)小于冷板的許用溫度。表3-4為電子設(shè)備適用的相變材料的物理性能。四、熱管冷板五、各類冷板的選用原則⑴冷板的選用可根據(jù)熱源的分布（集中、均布、非均布）、設(shè)備或器件的熱流密度、許用溫度、許用壓降、工作環(huán)境條件等進(jìn)行綜合考慮。⑵高功率密度器件的散熱，可選用強(qiáng)制液冷冷板。⑶熱量均布的中、小功率器件，可選用強(qiáng)制空氣冷卻冷板，氣流速度在1～4m/s的范圍內(nèi)選擇。⑷按脈沖工況運(yùn)行的器件或設(shè)備的內(nèi)熱源與外部熱環(huán)境之間的溫度有較大的周期性變化，可選用儲(chǔ)熱冷板。3.5無相變工況冷板表面的傳熱與阻力特性1.流動(dòng)有層流和湍流之分

層流：過渡區(qū)：旺盛湍流：1充分發(fā)展層流（此表中f為達(dá)西阻力系數(shù)）同一截面形狀的通道，均勻熱流的Nu比均勻壁溫的Nu高Nu與Re無關(guān)不同截面的當(dāng)量直徑相同，則Nu也不相同二、過渡區(qū)空氣在雷諾數(shù)1000至10000間范寧摩擦系數(shù)三.充分發(fā)展湍流（1）實(shí)用上使用最廣的是迪貝斯－貝爾特公式：加熱流體時(shí)，冷卻流體時(shí)。式中:定性溫度采用流體平均溫度，特征長(zhǎng)度為管內(nèi)徑。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍：

此式適用與流體與壁面具有中等以下溫差場(chǎng)合。（2）采用齊德－泰特公式：定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定），管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：

定性溫度為流體平均溫度（按壁溫確定），管內(nèi)徑為特征長(zhǎng)度，管子處于均勻壁溫。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證范圍為：實(shí)際工程換熱設(shè)備中，層流時(shí)的換熱常常處于入口段的范圍?？刹捎孟铝旋R德－泰特公式。五、擴(kuò)展表面的關(guān)系式插表格和圖（凱斯和倫敦）關(guān)系式第50頁不太準(zhǔn)2.冷板的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

對(duì)于給定的冷板通道，f、j系數(shù)可按實(shí)驗(yàn)結(jié)果取值（見圖3-10）3.冷板的總效率（表面效率）式中：Ap

——蓋板面積，m2；

Af——肋片面積，m2；

Ab——底板面積，m2；

ηf——肋片的效率；

ηb——底板的效率；

二、儲(chǔ)熱冷板的計(jì)算需用的相變材料質(zhì)量式中：Q——電子元器件耗散的功率，W； ce——整個(gè)儲(chǔ)熱冷板的比熱容；

τ——電子設(shè)備要求的溫度控制周期,s

；cf——相變材料的比熱容；

tm——相變材料的熔解溫度，℃；rf

——相變材料的熔解熱,J/kg。

t1

——冷板的初始溫度，℃；

3.4冷板的設(shè)計(jì)步驟一、校核計(jì)算步驟已知冷板的結(jié)構(gòu)、尺寸、冷卻劑流量和工作環(huán)境。⑴計(jì)算冷卻劑通道的當(dāng)量直徑de、通道截面積Ac、總換熱面積A和肋片換熱面積Af。⑵計(jì)算冷卻劑的溫升⑶計(jì)算定性溫度⑷根據(jù)定性溫度查取物性參數(shù)，計(jì)算流體在通道中的質(zhì)量流速和雷諾數(shù)：⑸計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)：⑹計(jì)算肋片效率及總效率（表面效率）：肋片效率：

—肋片參數(shù)，m-1；

l——肋片高度，m；

λf—肋片材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

δf—肋片厚度，m；

⑺計(jì)算傳熱單元數(shù)（NTU）：總效率（視蓋板和底板的效率為1）：⑻冷板表面溫度⑼計(jì)算壓降⑽比較冷板溫度和壓降。如不滿足條件，則需改變冷卻劑的流量，重復(fù)步驟⑴～⑼，直至滿足要求。二、設(shè)計(jì)計(jì)算步驟目的：確定一個(gè)滿足設(shè)備溫升控制要求的冷板。⑴根據(jù)預(yù)設(shè)的冷板結(jié)構(gòu)尺寸、選取的肋片參數(shù)和其它參數(shù)（重量、體積、強(qiáng)度等）計(jì)算當(dāng)量直徑de、單位面積冷板的傳熱面積S1、單位寬度冷板通道的橫截面面積S2及Af/A比值等。⑵取定性溫度為t1時(shí)冷卻劑的物性參數(shù)。⑶計(jì)算冷卻劑的溫升⑷計(jì)算冷卻劑的出口溫度⑸計(jì)算定性溫度并按定性溫度查取冷卻劑的物性參數(shù)。⑹設(shè)定冷板為B1，計(jì)算通道截面面積⑺計(jì)算冷卻劑的質(zhì)量流速⑻計(jì)算雷諾數(shù)⑼計(jì)算表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)⑽計(jì)算肋片效率及總效率⑾計(jì)算熱效率⑿計(jì)算傳熱單元數(shù)⒀計(jì)算總面積⒁計(jì)算冷板的長(zhǎng)