第七章电子设备强迫空气冷却设计

第3章电子设备用冷板设计3.1概述3.2冷板的结构类型及选用原则3.3冷板的换热计算3.4冷板的设计步骤3.1概述冷板——一种单流体（空气、水或其它冷却剂）的热交换器。常作为电子设备底座。气冷式冷板的功率密度：1.5W/cm2液冷式冷板的功率密度：5W/cm2冷板传热系数高的原因在于：⑴具有高导热系数；⑵冷板通道的当量直径较小；⑶采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状。2.2冷板的结构类型及选用原则冷板的类型一般可分为：⑴气冷式冷板——以空气为冷却介质；⑵液冷式冷板——以液体（水或其它冷却剂）为介质；⑶储热冷板——冷剂在相变过程中吸收熔解热；⑷热管冷板——热管与冷板相结合。冷板选用可根据设备以及元件的热流密度、热源分布、许用温度、压降及工作环境。典型冷板结构肋片的几何参数：肋片厚度：0.1～0.25mm；间距：5～8片/cm，最大可达16片/cm;高度：2.5～20mm。肋片几何参数选择要点：⑴可根据冷板的工作环境条件（湿度、气压、温度和污染度等）选择肋片的形状、肋间距和肋厚。⑵冷板的工作压力一般应低于2.0MPa。⑶表面传热系数大时，选厚的和高度低的肋片；表面传热系数小时，选高而薄的肋片，以提高换热面积。⑷当冷板表面与环境之间的温差较大时，宜选用平直形肋片（如三角肋，矩形肋）；温差小时，选百叶窗式或锯齿形肋。盖板、底板、隔板铝制，钎焊封条铝制，多种结构形式液冷式冷板常见液冷式冷板的组成如图3-4所示。液冷式冷板常用冷却剂的特性见表3-3。三、储热冷板储热冷板用相变材料一般应保证其发生相变的温度大于冷板的初始温度，熔解温度应小于冷板的许用温度。表3-4为电子设备适用的相变材料的物理性能。四、热管冷板五、各类冷板的选用原则⑴冷板的选用可根据热源的分布（集中、均布、非均布）、设备或器件的热流密度、许用温度、许用压降、工作环境条件等进行综合考虑。⑵高功率密度器件的散热，可选用强制液冷冷板。⑶热量均布的中、小功率器件，可选用强制空气冷却冷板，气流速度在1～4m/s的范围内选择。⑷按脉冲工况运行的器件或设备的内热源与外部热环境之间的温度有较大的周期性变化，可选用储热冷板。3.3冷板传热表面的几何特性第45页3.5无相变工况冷板表面的传热与阻力特性1.流动有层流和湍流之分•层流：•过渡区：•旺盛湍流：Re23002300Re1000010000Re•1充分发展层流（此表中f为达西阻力系数）同一截面形状的通道，均匀热流的Nu比均匀壁温的Nu高Nu与Re无关不同截面的当量直径相同，则Nu也不相同•二、过渡区25.02/3)1000(Re/021.0e0.06fRNu空气在雷诺数1000至10000间范宁摩擦系数三.充分发展湍流（1）实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：加热流体时，冷却流体时。式中:定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。实验验证范围：此式适用与流体与壁面具有中等以下温差场合。0.80.023RePrnfffNu0.4n0.3nft45Re10~1.210,fPr0.7~120,f。/60ld（2）采用齐德－泰特公式：定性温度为流体平均温度（按壁温确定），管内径为特征长度。实验验证范围为：0.140.81/30.027RePrffffwNuft，/60ldPr0.7~16700,f。4Re10fwtw•（3）格林尼斯基公式23/25.0)28.3Reln58.1()1(Pr)2/(7.121Pr)1000)(Re2/(fffNu2000r0.5105e23006PR，范宁摩擦系数定性温度为流体平均温度（按壁温确定），管内径为特征长度，管子处于均匀壁温。实验验证范围为：，0.0044~9.75fw。0.141/3RePr2/fffwldPr0.48~16700,fftwwt实际工程换热设备中，层流时的换热常常处于入口段的范围。可采用下列齐德－泰特公式。0.141/3RePr1.86/ffffwNuld五、扩展表面的关系式•插表格和图（凯斯和伦敦）•关系式第50页不太准3.3冷板的换热计算一、气冷和液冷式冷板的计算1.计算所依据的方程：对流换热方程和能量平衡方程①对流换热方程：0mQAtα——肋片表面对流换热系数；A——参与对流换热的总面积；Δtm—对数平均温差,℃；η0—冷板的总效率；qm—冷却剂的质量流量,kg/s；cp—冷却剂的定压比热；t2—冷却剂的出口温度,℃；t1—冷却剂的进口温度,℃。②平衡方程：21()mpQqctt定义对数平均温差：2112ln[()/()]mssttttttt定义传热单元数：0mpANTUqc冷板表面的平均温度为：21[]1NTUssNTUetttte≤冷板中冷却剂的流动总压降：22211112212112mcecmgApKfKA式中：gm——单位面积的质量流量（质量流速），kg/(m2·s)；ρ1——冷却剂进口时的密度，kg/m3；ρ2——冷却剂出口时的密度，kg/m3；ρm——冷却剂的平均密度，kg/m3；σ——冷板孔度，即冷板通道截面积与冷板迎风面积之比；Ac——冷板通道的横截面积（最小自由流通面积），m2；Kc——冷却剂进口压力损失系数，Kc＝ψ(Re,σ)，查图3-8或图3-9确定；Ke——冷却剂出口压力损失系数，Ke＝Φ(Re,σ)，查图3-8或图3-9确定；f——摩擦系数，查图或由公式计算。2.冷板的表面传热系数2/3mpjgcPr对于给定的冷板通道，f、j系数可按实验结果取值（见图3-10）3.冷板的总效率（表面效率）01(1)(1)fbfbAAAA式中：Ap——盖板面积，m2；Af——肋片面积，m2；Ab——底板面积，m2；ηf——肋片的效率；ηb——底板的效率；二、储热冷板的计算需用的相变材料质量11()(kg)()mefmfQttcmrttc式中：Q——电子元器件耗散的功率，W；ce——整个储热冷板的比热容；τ——电子设备要求的温度控制周期,s；cf——相变材料的比热容；tm——相变材料的熔解温度，℃；rf——相变材料的熔解热,J/kg。t1——冷板的初始温度，℃；3.4冷板的设计步骤一、校核计算步骤已知冷板的结构、尺寸、冷却剂流量和工作环境。⑴计算冷却剂通道的当量直径de、通道截面积Ac、总换热面积A和肋片换热面积Af。⑵计算冷却剂的温升mpQtqc⑶计算定性温度12(2)/4fstttt⑷根据定性温度查取物性参数，计算流体在通道中的质量流速和雷诺数：emdgRe⑸计算表面传热系数：2/3mpjgcPr⑹计算肋片效率及总效率（表面效率）：肋片效率：th()fmlml—肋片参数，m-1；l——肋片高度，m；λf—肋片材料的导热系数；δf—肋片厚度，m；2ffm⑺计算传热单元数（NTU）：总效率（视盖板和底板的效率为1）：01(1)ffAA0mpANTUqc⑻冷板表面温度21[]1NTUssNTUetttte≤⑼计算压降[]pp≤⑽比较冷板温度和压降。如不满足条件，则需改变冷却剂的流量，重复步骤⑴～⑼，直至满足要求。二、设计计算步骤目的：确定一个满足设备温升控制要求的冷板。⑴根据预设的冷板结构尺寸、选取的肋片参数和其它参数（重量、体积、强度等）计算当量直径de、单位面积冷板的传热面积S1、单位宽度冷板通道的横截面面积S2及Af/A比值等。⑵取定性温度为t1时冷却剂的物性参数。⑶计算冷却剂的温升mpQtqc⑷计算冷却剂的出口温度21ttt⑸计算定性温度12(2)/4fstttt并按定性温度查取冷却剂的物性参数。⑹设定冷板为B1，计算通道截面面积12cABS⑺计算冷却剂的质量流速mmcqgA⑻计算雷诺数emdgRe⑼计算表面传热系数2/3mpjgcPr⑽计算肋片效率及总效率th()fmlml01(1)ffAA⑾计算热效率211stttt⑿计算传热单元数1/(1)NTUe⒀计算总面积0mpNTUqcA⒁计算冷板的长度111ALSB⒂计算压降[]pp≤⒃比较。如不满足要求，则重新设定B1、L1，重复步骤⑹～⒁，直至满足要求。[][]AApp≤，≤3.8液体冷板设计的一些特殊问题一、系统阻力计算与泵的选择局部阻力与沿程阻力和高度差二、膨胀箱三、等效管长