第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)

第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)2023/12/28第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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)量直徑較小；⑶采用有利于增強(qiáng)對(duì)流換熱的肋表面幾何形狀。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)典型冷板結(jié)構(gòu)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)蓋板、底板、隔板鋁制，釬焊封條鋁制，多種結(jié)構(gòu)形式第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)液冷式冷板常見液冷式冷板的組成如圖3-4所示。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)液冷式冷板常用冷卻劑的特性見表3-3。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)3.3冷板傳熱表面的幾何特性第45頁(yè)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)3.5無(wú)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：第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)1充分發(fā)展層流（此表中f為達(dá)西阻力系數(shù)）第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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(wú)關(guān)不同截面的當(dāng)量直徑相同，則Nu也不相同第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)

第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)二、過渡區(qū)空氣在雷諾數(shù)1000至10000間范寧摩擦系數(shù)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)（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：第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)（3）格林尼斯基公式范寧摩擦系數(shù)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)

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。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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(yè)不太準(zhǔn)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)3.3冷板的換熱計(jì)算一、氣冷和液冷式冷板的計(jì)算1.計(jì)算所依據(jù)的方程：對(duì)流換熱方程和能量平衡方程①對(duì)流換熱方程：

α——肋片表面對(duì)流換熱系數(shù)；

A——參與對(duì)流換熱的總面積；

Δtm—對(duì)數(shù)平均溫差,℃；

η0—冷板的總效率；

qm—冷卻劑的質(zhì)量流量,kg/s；

cp—冷卻劑的定壓比熱；

t2—冷卻劑的出口溫度,℃；

t1—冷卻劑的進(jìn)口溫度,℃。②平衡方程：定義對(duì)數(shù)平均溫差：第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)定義傳熱單元數(shù)：冷板表面的平均溫度為：冷板中冷卻劑的流動(dòng)總壓降：式中：gm——單位面積的質(zhì)量流量（質(zhì)量流速），kg/(m2·s)；

ρ1——冷卻劑進(jìn)口時(shí)的密度，kg/m3；

ρ2——冷卻劑出口時(shí)的密度，kg/m3；

ρm——冷卻劑的平均密度，kg/m3；

σ——冷板孔度，即冷板通道截面積與冷板迎風(fēng)面積之比；

Ac

——冷板通道的橫截面積（最小自由流通面積），m2；

Kc——冷卻劑進(jìn)口壓力損失系數(shù)，Kc＝ψ(Re,σ)，查圖3-8或圖3-9確定；

Ke——冷卻劑出口壓力損失系數(shù)，Ke＝Φ(Re,σ)，查圖3-8或圖3-9確定；

f——摩擦系數(shù)，查圖或由公式計(jì)算。第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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）第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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，℃；

第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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；

第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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)算冷卻劑的溫升第七章電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)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