艾默生电子设备的强迫风冷热设计规范

admin 2011-09-22

1目的
建立一个电子设备在强迫风冷条件下的热设计规范，以保证设备内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内，从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。

2 适用范围
本热设计规范适用于强迫风冷电子设备设计与开发，主要应用于以下几个方面：

 机壳的选材
 结构设计与布局
 器件的选择
 散热器的设计与选用
 通风口的设计、风路设计
 热路设计
 选择风扇
3 关键术语
3.1 热环境

设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况

3.2 热特性

设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。

3.3导热系数(λ w/m.k)

表征材料热传导性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量。

3.4 对流换热系数（α w/m2.k）

对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱，表明了当流体与壁面间的温差为1℃时，在单位时间通过单位面积的热量。

3.5 热阻(℃/w)

反映介质或介质间传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小。

3.6流阻(Pa)

流阻反映了流体流过某一通道时所产生的压力差。

3.7 雷诺数（Re）

雷诺数的大小反映了流体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。

3.8 普朗特数(Pr)

普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。

3.9 格拉晓夫数(Gr)

格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则。

3.10 定性温度

确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。

3.11 肋片的效率

表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热量之比。

3.12 黑度

实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。

3.13 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。

3.14 传热单元数NTU

为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。

3.15 冷板的传热有效度E

衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量

3.16 防尘网的阻力

防尘网对气流形成阻力。防尘网积灰，阻力增加，当阻力增大到某一规定值时，过滤器报废。新防尘网的阻力称“初阻力”；对应防尘网报废的阻力值称“终阻力”。设计时，常需要一个有代表性的阻力值，以核算系统的设计风量，这一阻力值称“设计阻力，惯用的方法是取初阻力与终阻力的平均值。

3.17 外部环境温度的定义

自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值；强迫风冷（使用风扇）时指距离空气入口80~200mm截面的温度平均值。

3.18 机箱表面的温度定义

机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处的温度。

3.19 设备风道的进、出口风温的定义

冷却空气入口、出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直的截面内各点温度的平均值。

3.20 冷板散热器

指采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片工艺成型的齿间距较密，宽高比较大的散热器。

4引用/参考标准或资料
下列标准包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则

GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件

GJB/Z27-92 国家军用标准汇编,电子设备可靠性设计手册

GB/T 12992-91 电子设备强迫风冷热特性测试方法

GB/T 12993-91 电子设备热性能评定

电子设备结构设计标准手册

TS-S0E0199001 电子设备的强迫风冷热设计规范

分散式散热产品的热设计规范

5 规范内容
5.1 遵循的原则
5.1.1进行产品的热设计应与电气设计、结构设计同时进行，平衡热设计、结构设计、电气设计各种需求。

5.1.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准。

5.1.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作，并保证达到设定的MTBF指标。

5.1.4 各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要求。

5.1.4.1元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。

5.1.4.2 根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。

5.1.4.3 在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低。

5.1.5 模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路以及风速调节回路，以提高系统的可靠性。

5.1.6 在进行热设计时，应考虑相应的设计冗余，以避免在使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。

5.1.7 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。

5.1.8 冷却系统要便于测试与维护。

5.1.9 采用强迫风冷的条件：在常压下，强迫风冷的应用范围为0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2采用自然冷却，大于0.31 w/cm2须采用水冷或其它表面冷却。

5.2 产品热设计要求
5.2.1产品的热设计指标
5.2.1.1 散热器的表面温度最高处的温升应小于45℃.

5.2.1.2 模块内部空气的平均温升应小于20℃。

5.2.2 元器件的热设计指标
元器件的热设计指标应符合TS-S0A0204001《器件应力降额规范》，具体指标如下：

5.2.2.1 功率器件的工作结温应小于最大结温的(0.5-0.8)倍

对额定结温为175℃的功率器件, 工作结温小于140℃.

对额定结温为150℃的功率器件, 工作结温小于120℃.

对额定结温为125℃的功率器件, 工作结温小于100℃.

5.2.2.2 碳膜电阻 120℃

金属膜电阻 100℃

压制线绕电阻 150℃

涂剥线绕电阻 225 ℃

5.2.2.3 变压器、扼流圈表面温度

A级 90 ℃

B级 110 ℃

F级 150 ℃

H级 180 ℃

5.2.2.4 电容器的表面温度

纸质电容器 75-85℃

电解电容器 65-80℃

薄膜电容器 75-85℃

云母电容器 75-85℃

陶瓷电容器 75-85℃

5.3 系统的热设计
5.3.1 常见系统的风道结构
5.3.1.1系统风道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。
图1系统布局要点示意图

 为避免上游的热量回流到下游，影响其散热，可以采用独立风道，分开散热。
 风道设计应保证系统各个区域散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点。
 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。
 最大损耗的元器件应靠近出风口。
 保证进、出风口面积大于风扇的通风面积。
 保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域。
 避免在两个热点之间用一个小风扇来冷却。
 温度敏感的元器件应尽量靠近风扇入口。
 尽可能采用吹风以防止灰尘聚积。
 尽可能采用空隙率较大的防尘网以减小阻力。
 高热器件的位置要求
如果不能消除SWIRL的影响，即无法保证流出风扇框的流场是近似均匀的流场，则必须避免布置高热器件在流场的旋涡区域，因为该区域风速最小。

5.3.1.2一些典型的风道结构
5.3.2 系统通风面积的计算
通风口的面积大小应为： S＝(1.5-2.0)(N³S模块)………………(1)

S模块---系统通风面积，m2

N---每层模块的总数

S模块---每一个模块的通风面积, m2

5.3.3 系统前门及防尘网对系统散热的影响
如果前门的进风口位置满足要求，并且进风面积足够，一般来讲，开门与关门有约2-5℃差异。

如果需在系统上加防尘网，即使采用粗效的防尘网，也将带来5-10℃的差异。

5.4 模块级的热设计
5.4.1 模块损耗的计算方法
模块的损耗可由下式计算.

Pdiss=(1/η-1)Pout………………………………………(2)

Pdiss -- 模块的损耗,W

Pout--模块的输出功率,W

η--模块的效率

功率损耗Pdiss是由于发热器件的发热而引起的，这些发热器件包括开关管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二极管及FRED），滤波电感，变压器以及开关管的驱动等。