热设计

电子设备热控制技术赵惇殳西安电子科技大学电子设备热设计热设计理论基础热设计基本原理液体冷却强迫风冷自然冷却蒸发冷却热电致冷热管传热热测试技术电子设备热设计参考资料1、《电子设备热控制与分析》2、《电子设备结构设计原理》5、《GJB/Z27电子设备可靠性热设计》4、《微电子设备的换热》3、《电子设备冷却技术》6、《ThermalcomputationofElectronicEquipment》7、《电子机器的热对策》（日文）电子设备热控制目的组件和设备的热流密度增长趋势为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的热环境保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性防止电子元器件的热失效电子设备热环境环境温度和压力（或高度）的极限值及变化率太阳或周围物体的辐射值地面设备：周围空气温度、湿度、气压、空气流速，周围物体形状和黑度，日光照射冷却剂种类可利用的热沉机载设备：飞行高度、飞行速度、安装位置，有无空调舱，周围空气温度、速度等舱船设备：周围空气温度、湿度，有无淡水，舱室温度，日照情况等热设计基本要求满足可靠性要求满足热环境的要求与维修性设计相结合，易维修与电路设计同时进行满足对冷却系统的限制要求根据、、、MTBFtayt经济性、安全性等，选择冷却方法尺寸、重量、冷却所需功、热设计基本原则保证良好的冷却功能保证可靠性良好的经济性良好的维修性有良好的适应性冷却方法选择（1）10241024622410346824682246810-11001010-221温升℃表面热流密度W/cm2冷却方法选择（2）空气空气介质液体水介质液体水介质液体自然散热强迫对流蒸发冷却1.16311.63116.3116311630传热系数W/m2℃空气流速3~15m/S流体流速0.3~1.5m/S电子设备热设计理论基础传热学(传热计算)流体力学(阻力计算)辐射对流导热)()(21wttwwkL)()(wttAhfwc)(67.54100410021wATT导热单层平壁导热导热基本定律温度场)(wkAnt)()t-(tw2w1wkA)(21wCRkAtttww导热热阻多层平壁导热单层圆筒壁导热)()(ln22112wttrrklww)(111wniiiiwiwAktt)t-t(1wiw1ln1211niiiirrkl多层圆筒壁导热接触热阻的影响因素接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度）接触表面的硬度间隙中介质种类（真空、液体、气体等）非接触间隙的平均厚度接触表面的压力大小接触表面的氧化程度和清洁度接触材料的导热系数减小接触热阻的方法加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料加低熔点合金（铟合金）提高界面间的接触压力2200cmN在接触表面涂一薄层导热脂（膏）导热的数值分析有限元素法有限差分法有限差分法求解步骤（2）讨论与该差分格式对应的线形代数方程解的唯一性（3）求解代数方程组，得到区域内的温度分布（1）构成差分格式有限元素法求解步骤（2）写出单元的泛函表达式（3）构造每个单元内的插值函数（1）区域离散化（5）构成代数方程组（6）求解代数方程组（4）求泛函极值条件的代数方程表达式对流换热影响因素流体流动发生的因素流体流动的状态换热面的几何形状和位置流体的物理性质对流换热系数)(fwcttAh对流换热现象换热系数空气自然对流3~10气体强迫对流20~100水自然对流200~1000水强迫对流1000~15000水沸腾2000~25000高压水蒸汽强迫对流500~3500水蒸汽凝结5000~15000对流换热计算准则数名称物理意义换热强弱努谢尔特数）(kDhucN粘性力惯性力(雷诺数）wDeR223(粘性力惯性力浮升力格拉晓夫数）tgDrG流体特性参数普朗特数）(rPfmtt、UfeDDHL4、、、定性温度：特征尺寸nmrrumPGcN)(fwccttAh准则方程rrPG竖放平板柱体水平板(热面朝上)水平板(热面朝下)＜109＞109＜2×107＞2×1073×105~3×1010流态层流紊流层流紊流层流C0.100.590.540.150.27n1/41/31/41/31/4特征尺寸高度正方形取边长圆盘取0.901狭长条取短边矩形L=2ab/(a+b)自然对流换热计算管内流动4.08.0023.0rfefufPRN)(fwccttAh14.03186.1wfuuldrfefufPRNfwccttAh定性温度:流体平均温度特征尺寸:管子内径或当量直径410eR紊流准则方程层流2300eR准则方程注:上述公式或适用于直管、长管50dl否则要乘相应修正系数强迫对流换热'''5.0fffttt8.0032.0fufRN5.066.0efufRNfwcttAh定性温度:特征尺寸:流体流动方向板或柱体的长度L510eR紊流准则方程层流510eR准则方程强迫对流换热计算'''5.0fffttt沿平板流动（或沿柱体轴线流动）对流换热的数值计算连续方程能量方程动量方程辐射换热的基本概念吸收率反射率穿透率辐射换热的基本定律普朗克定律四次方定律基尔霍夫定律实际物体的辐射和吸收黑体的辐射角系数交叉线法断面的长度表面不交叉线之和交叉线之和1212F11111)11(rrEE])100()100[(67.5424112TTAxt111121xt有效辐射平行平板间的辐射换热(w)67.54100410021TTA辐射换热计算黑度ε:主要取决于物体表面状态热阻网络计算法(两个表面以上的辐射计算)表面热阻11111ArbEE1bErE1111A空间热阻112121ArrEE121rE2rE1211A两表面间1rE2rE1111A1bE2bE1211A2221A212112111ffcffttAkttAchkLAch传热计算热流体冷流体固体壁(平壁或圆筒)1wt2wtAhc111ft2ftkAAhc211ft2ft1wt2wtk1ch2chox(w)2211221111AchddnkLAchl圆筒壁1ft2ft122ddnkLl1wt2wtAhc11Ahc212r1r2ft2wt1wt1ftxok2ch1ch221111121AchkAAchfftt肋壁传热k2ch1ch1ft2ft2wt1wt1A2A1ft2ft1wt2wt肋效率：mlmlth热阻辐射热阻对流热阻导热热阻)(WCkAtR)(1WCAhtcR)(1WCAhtcfR接触传热2122212121wwacttAkAkAkttttAkvwwvfcvcvww电子设备自然冷却设计技术自然冷却设备的结构因素机壳热设计机壳通风孔面积机壳表面处理)(cm2104.705.150tHAPCB自然冷却热设计印制线（导体）尺寸的确定PCB上元器件热安装技术尽量利用DIP的引线导热粘接技术采用散热PCB（导热条、导热板、夹芯板）冷热分区排列元件排列方向有利于气流流动与冷却（阻力）减小元件热应变的安装技术导轨热设计PCB热计算均匀热负荷导热条热计算普通PCB热计算ckALt2maxscsbsbsqRRRR)(PCB1方阻bbksbR)(1印制线方阻cckscR面积百分比印制线占PCB:BLRsqt8maxLhRchLBhsqct5.0212max5.01BLsqchLBRt57.118max1FEtLBhRcsq0785.012maxBRhchLsqcE5.0215.02LRhchBsqcF5.0215.020chBL(1)0ch(2)0ch(3)0ch(4)半导体用散热器热计算max)1(最大功耗jmax)2(tcsRRbR)3(hA1fR)4(atjtftfRbRbR集成电路的热分析离散热源产生的收缩效应（1）无限大的导热介质上的圆热源（3）长窄条热源在有限导热介质上（2）有限大的导热介质上的圆热源cjTTT0（4）短而窄热源在有限导热介质上jTcT0T表面温度r1-热源半径，r2-圆柱半径长窄条热源krtc12收缩效应有限大圆形导热介质无限大圆形导热介质5.1211)1(2rrkrtc])2sin(1ln[balktc短窄条热源321cccctttt其中221)sin(2mbamacbkt1222)sin(2mmbdmabckt112223])()[()sin()sin(22mncnbmnmbamcdnadkt2a--热源宽度，2b--窄条宽度，l--窄条长度2d—窄条热源长度，2c—短条长度典型微电路组装图芯片结到外壳的传热CURCHRCDOREURCHRCDARALREPRKORSGREURCHRCOBREURCHRCDORCCRCARCBRCDRC2.52WA3.24WB2.81WD3.03W55℃1t2t3t4t电子设备强迫空气冷却单个元件风冷整机鼓风冷却整机抽风冷却大机柜中屏蔽盒的通风冷却出风口外部对流外部辐射内部对流风机滤尘器空气入口大机柜PCB热计算32kCpcpGJCh1800Re200当98.068eRJ时长宽比大于98.07.2eRJ正方形风道54102.1Re10当2.0023.0eRJwAWGftCQWp每厘米7个肋片（铝）160入口出口元器件0.6多层印制板0.954.8941.20.233100空芯PCB风冷PCB组件风冷出口PCB2.5空气入口轴流风机雏形风道机壳200(1)(2)(3)(4)(5)(6)表2第1点第2点第3点第4点第5点第6点A(cm2)V1(cm/s)V2V3HV1(cmH2O)HV2HV31240080012000.0980.3920.88312.837575011250.0860.3450.7769.6549799514900.0750.3030.6812.253056099140.1140.4541.0245.751202393580.00880.0350.07851202393580.00880.0350.0785系统的压力损失表1通道形式说明速度头(HV)损失数普通管道端发蓝管道端圆滑进口伸出进口0.040.490.932.70速度头通风机工作点确定恒速风扇；3相，115伏，400周454JS马达15500转/分，25瓦变速风扇（Altivar）：单相400，415YS马达11000转/分，18瓦不稳定点机箱阻力曲线543210510152021ABm3/mincmH2O通风机的选择种类、特点工作点特性曲线通风机串联通风机并联结构因素对风冷效果影响通风机位置元件的排列风道结构形式热源位置紊流器漏风的影响风冷设计基本原则合理控制气流和分配气流集中热源，单独风冷元器件排列原则力求对气流的阻力最小进出口尽量远离，避免风流短路电子设备液体冷却直接液体冷却蒸汽不再循环有搅动发热元器件浸入冷却液（无蒸发）蒸汽再循环元器件或组件浸入冷却液（有蒸发）TCM技术无搅动间接液体冷却冷板技术（液冷）泵和热交换器泵的选择流量压力离心泵泵的种类齿轮泵轴流式泵热交换器的种类列管间壁式顺流逆流叉流往复流紧凑式单流体冷板热计算传热冷流体热流体)(''1'111ttCqpm对数平均温差''''''ttnlttmt)('2''222ttCqpmmtkA（