第二章 热设计基础知识
2.1某些基本概念
2.1.1 温升
　　指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差。如果忽略温度变化对空气物性的非线性影响，可以将一般环境温度下（如空调房27℃）测量获得的温升直接加上最高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度。例如在空调房内测得某器件温升为40℃，则在55℃最高环境温度下该器件的温度将为95℃。
2.1.2 热耗
　　指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗指器件的输入功率。一般电子元器件的效率比较低，大部分功率都转化为热量。计算元器件温升时，应根据其功耗和效率计算热耗，当仅知道大致功耗时，对于小功率设备，可认为热耗等于功耗，对于大功耗设备，可近似认为热耗为功耗的75%。其实为给设计留一个余量，有时直接用功耗进行计算。但注意电源模块的效率比较高，一般为70%~95%，对于同一个电源模块，输出功率越小，效率越低。
2.1.3 热流密度
　　单位面积上的传热量，单位W/m2。
2.1.4 热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。
　　可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。
　　以下是一些单板元器件热分析使用的重要热阻概念，这些热阻参数一般由元器件生产厂商根据标准实验测量提供，可在器件的用户说明书中查出：
2.1.4.1 结至空气热阻Rja：元器件的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。
2.1.4.2 结至壳热阻Rjc：元器件的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。
2.1.4.3 结至板热阻Rjb：元器件的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。
2.1.5 导热系数
DKBA0.400.0037 REV. 1.0
表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃
2.1.6 对流换热系数
反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃
2.1.7 层流与紊流(湍流)
层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，热阻大，流动阻力小；
紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，热阻小，流动阻力大。层流与紊流状态一般由雷诺数来判定。在热设计中，尽可能让热耗大的关键元器件周围的空气流动为紊流状态，因为紊流时的换热系数会是层流流动的数倍。
2.1.8 流阻
反映流体流过某一通道时所产生的静压差。单位帕斯卡或In. water
2.1.9 黑度
实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，在0~1之间。它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙，无光泽，黑度大，辐射散热能力强。
2.1.11雷诺数Re(Reynlods)
雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则数。其定义一般为式中u为空气流速，单位m/s； D为特征尺寸，单位m，根据具体的对象结构情况取值； 为运动粘度，单位m2/s。
2.1.12 普朗特数Pr(Prandtl)
普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数。空气的Pr数可直接根据定性温度从物性表中查出。
2.1.13 努谢尔特数Nu(Nusseltl)
反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则数。其定义一般为
h为换热系数，单位W/m2.℃；D为特征尺寸； 为导热系数，单位W/m.℃。
2.1.14 通风机的特性曲线
指通风机在某一固定转速下工作，静压随风量变化的关系曲线。当风机的出风口完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而风量达到最大。

2.1.15 系统的阻力特性曲线
系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压降随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。
2.1.16 通风机工作点
系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。
2.1.17 速度头
　　一般使用空气的动压头来作为电子设备机箱压降的惯用基准，其定义为为空气密度，u为空气流速。风道中空气的静压损失就由速度头乘以阻力损失系数获得。
2.2 热量传递的基本方式及传热方程式
热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现
2.2.1导热的基本方程：
　　导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。(2-1)
λ---- 导热系数，W/m.K或W/m.℃; A导--- 导热方向上的截面面积，m2---- x方向上的温度变化率，℃; R导----- 导热热阻, ℃/W
　　根据方程的形式，可以看出，要增强散热量，减小温升，可以增加导热系数，选用导热系数高的材料，如铜（约360W/m℃）或铝（约160W/m℃）；增加导热方向上的截面积；减小导热方向上的路径。
2.2.2 对流的基本方程：
　　对流是由流体与流体流经的固体表面之间存在的温差产生的换热现象。
(2-2)
h---- 对流换热系数，W/m2.K或W/m2.℃; A对--- 有效对流换热面积，m2
tw---- 热表面温度，℃; ta---- 冷却空气温度，℃;
R对流----- 对流热阻, ℃/W
　　由方程可见，要增强对流换热，可以加大换热系数和换热面积。
2.2.3 辐射的基本方程：
(2-3)
DKBA0.400.0037 REV. 1.0
---- 系统黑度，
ε1，ε2----分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体表面（如机壳内表面）的黑度;
F12------ 表面1到表面2的角系数。即表面1向空间发射的辐射落到表面2的百分数。
A1 ---物体1的有效辐射面积，m2;
　　　　 T1, T2--分别为物体1和物体2的绝对温度，K
　　由方程可见，要增加辐射换热，可以提高热源表面的黑度和到冷表面的角系数，增加表面积。
2.3 增强散热的方式
　　以下一些具体的散热增强方式，其实就是根据上述三种基本传热方程来增加散热量的：
2.3.1 增加有效散热面积。如在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料导到PCB板中，利用周围PCB板的表面散热。
2.3.2 增加流过表面的风速，可以增加换热系数。
2.3.3破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状态，换热避面上的不规则凸起可以破坏层流状态，加强换热，针状散热器和翅片散热器的换热面积一样，而换热量却可以增加30%，就是这个原因。吹风时，风扇出口风速分布不均，有主要流动方向，局
部风速较高，一般为紊流状态，局部换热强烈，但要注意回流低速区换热较差。
2.3.4 尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶（绝缘性能好）或铝箔等材料。
2.3.5 设法减小散热热阻。在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限自然对流和导热、辐射散热，由于空气的导热系数很小，所以热阻很大。如果将器件表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触，则热阻将大大降低，减小温升。

第三章 自然对流换热
　　当发热表面温升为40℃或更高时，如果热流密度小于0.04W/cm2 ，则一般可以通过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升力使空气不断流过发热表面，实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备，所以不需要维护，成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热，应尽量不使用风扇。
3.1 自然对流热设计要考虑的问题
　　如果设计不当，元器件温升过高，将不得不采用风扇。合理全面的自然对流热设计必须考虑如下问题：
3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件时，应将不耐热的元件放在靠近进风口的位置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温元件，以避免辐射的影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔开；将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部； 一般应将热流密度高的元
器件放在边沿与顶部，靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进风口附近，注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；大功率的元器件尽量分散布局，避免热源集中； 不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使风阻均布，风量分布均匀。
　　单板上元器件的布局应根据各元件的参数和使用要求综合确定。
3.1.2 是否有足够的自然对流空间。 元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持一定距离，通常至少13mm，以利于空气流动，增强对流换热。一些具体的参考距离尺寸如下：
3.1.2.1 对相邻的两垂直发热表面，d/L=0.25，如图3-1-(a)所示;
3.1.2.2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm, 如图3-1-(b)所示;
3.1.2.3.对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85, 如图3-1-(c)所示;
3.1.2.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7, 如图3-1-(d)所示;
3.1.2.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65, 如图3-1-(e)所示;

第四章 强迫对流换热-风扇冷却
　　当散热面热流密度超过0.08W/cm2，就必须采用强迫风冷的方式散热。强迫风冷在我公司产品中应用最多。有时尽管不用风扇可以散热，但散热器和机箱体积会很大，采用风扇冷却可以将体积减小许多。
4.1 风道的设计
　　强迫风冷中风道的设计非常重要。以下是设计的一些基本原则：
 尽量采用直通风道，避免气流的转弯。在气流急剧转弯的地方，应采用导风板使气流逐渐转向，使压力损失达到最小。
 尽量避免骤然扩展和骤然收缩。
 进出风口尽量远离，防止气流短路。
 在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路。
 为避免上游插框的热量带入下游插框，影响其散热，可以采用独立风道，分开散热。
 风道设计应保证插框单板或模块散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点。
 对于并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量, 避免风道阻力不合理布局 要避免风道的高低压区的短路

4.2 抽风与吹风的区别
4.2.1 吹风的优缺点
a. 风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情况，此时必须将风扇的主要出风口对准集中的发热元件。
b. 吹风时将在机柜内形成正压，可以防止缝隙中的灰尘进入机柜/箱。
c. 风扇将不会受到系统散热量的影响，工作在在较低的空气温度下，风扇寿命较长。
d. 由于吹风有一定方向性，对整个插框横截面上的送风量会不均匀。
e. 在风扇HUB附近和并联风扇之间的位置有部分回流和低速区，换热较差，最好将风扇与插框保持50mm以上的间距，使送风均匀化。
4.2.2 抽风的特点
a. 送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂的情况。
b. 进入风扇的流动主要为层流状态。
c. 风扇将在出风口高温气流下工作，寿命会受影响。
d. 机柜内形成负压，缝隙中的灰尘
4.3 风扇选型设计
4.3.1 风扇的种类
　　通信产品中运用的风扇有轴流（Axial）、离心（Radial）、混流（Mixed-flow）
三种，它们的典型特性曲线见图4-1

从图中的对比可以看出，轴流风扇风量大、风压低，曲线中间的平坦转折区为轴流风扇特有的不稳定工作区，一般要避免风扇工作在该区域。最佳工作区在低风压、大流量的位置（曲线的后1/3段）。如果系统的阻力比较大，也可以利用高风压、低流量的工作区（曲线的前1/3段），但要注意风量是否达到设计值。离心风扇的进、出风方向垂直，其特点为风压大、风量低，最好工作在曲线中压力较高的区域。混流风扇的特点介于轴流和离心之间，出风方向与进风有一倾斜角度，则风量可以立即扩散到插框的各个角落，而且风压与风量都比较大，但风扇HUB直径较大，正对HUB的部分风速很低，回流比较严重。　
　目前公司除极个别产品采用混流风扇外，一般都采用轴流风扇。我公司采用的风扇产品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的风扇虽然性能好，但在商务采购上评级为D，不推荐采用。NMB用得较多，DELTA样品供货较快。
4.3.2 风扇与系统的匹配
　　空气流过风道将产生压力损失。系统的压力损失有沿程阻力损失和局部阻力损失。沿程损失是由气流相互运动产生的阻力及气流与壁面或单板的摩擦所引起的。局部阻力损失是气流方向发生变化或风道截面发生突变所引起的损失。不管哪种损失，
均和当地风速的平方成正比，如局部压力损失由下式计算

柜/箱中一般为保证送风均匀和足够的风量，采用风扇并联使用的方式。风扇并联时的特性曲线理论上为各风扇曲线的横向叠加，如图4-3所示，实际上一般会比理想曲线略低。由图中可以看出，两个风扇并联使用产生的风量并不是仅采用一个风扇时产生风量的两倍，可能只增加30%，这和系统阻力特性曲线在工作点附近的斜率大小有关。如果系统阻力较大，阻力特性曲线较陡，当风扇并联的数目多到一定程度时，并不能明显增加风量。一般建议横向上并联风扇数目不要超过3个，如果插框较宽，可以用4个，纵向上除非插框很深，一般只用一排。

4.3.5 风扇的噪音问题
　　风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系，如图4-6所示，对于轴流风扇 在大风量，低风压的区域噪音最小，对于离心风机在高风压，低风量的区域噪音最小，这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。

..............

附：
一、热设计仿真软件介绍：
　　该种软件运用计算流体力学（CFD）原理对电子系统结构进行三维流场和温度场计算，可获得任意局部的流速、温度和风压，可进行机柜系统级、单板级到元器件级的综合热分析。具体可帮助热设计工程师解决如下问题：
1. 实现通风风扇与风道阻力特性的匹配选型设计。 在充分实验工作了解了机柜中典型模块（各类典型单板插框、配电箱、屏蔽板、防尘板、进出通风口等）的阻力特性经验参数后，输入到仿真软件的阻力边界条件中，软件会根据风扇的性能曲线结合计算出的风道阻力计算其工作点，获得流量、压降与风速。只要前期实验工作充分，软件计算结果可以可靠地指导设计工作。
2. 可在方案初期通过仿真预测，论证散热方式的可行性。
3. 可比较不同的风道设计、风扇与通风口的位置与尺寸、相邻单元或单板的距离、模块结构布局等方案下系统的相对散热情况，指导设计人员获得最佳方案。也可帮助设计人员避免不当的通风结构布置。
4. 可了解风道中大致的流场分布，发现回流与低速区，指导风道结构的改进设计，也可为元器件布板人员提供参考，优化关键器件的位置。
5. 可优化散热器的形状和尺寸，获得其热阻参数，便于其选型设计。
6. 在积累了足够的实践经验后，如果提供的功耗等输入参数比较准确，可以比较准确地预测元器件的大致温升，在样机制造前即避免热设计的不当之处，并进行模拟优化，减少实验的反复工作和开发周期，提高产品竞争力。这项工作可分两步走，先通过系统级计算获得单板的边界条件（空气风速和来流温度），然后再对单板进行具体细节分析，获得具体器件的温升。
二、参考文献
1. GJB/Z 27-92 ，电子设备可靠性热设计手册，1992年7月18日发布
2. 电子设备冷却技术，D. S. 斯坦伯格，傅军译，航空工业出版社，1989
3. “ Equipment Fans for Electronic Cooling, Function and Behavior in Practical
Application” , Siegfried Harmsen, Verlag moderne industrie, 1991
4. “ Thermal Analysis & Design Process” , Applied Thermal Technologies, Inc. 1992

热设计规范下载:  热设计技术规范

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