第二章 熱設計基礎知識
2.1某些基本概念
2.1.1 溫升
　　指機柜內空氣溫度或元器件溫度與環境溫度的差。如果忽略溫度變化對空氣物性的非線性影響，可以將一般環境溫度下（如空調房27℃）測量獲得的溫升直接加上最高可能環境溫度獲得最惡劣環境下的器件近似溫度。例如在空調房內測得某器件溫升為40℃，則在55℃最高環境溫度下該器件的溫度將為95℃。
2.1.2 熱耗
　　指元器件正常運行時產生的熱量。熱耗不等同于功耗，功耗指器件的輸入功率。一般電子元器件的效率比較低，大部分功率都轉化為熱量。計算元器件溫升時，應根據其功耗和效率計算熱耗，當僅知道大致功耗時，對于小功率設備，可認為熱耗等于功耗，對于大功耗設備，可近似認為熱耗為功耗的75%。其實為給設計留一個余量，有時直接用功耗進行計算。但注意電源模塊的效率比較高，一般為70%~95%，對于同一個電源模塊，輸出功率越小，效率越低。
2.1.3 熱流密度
　　單位面積上的傳熱量，單位W/m2。
2.1.4 熱阻
熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑上的溫升。
　　可以用一個簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。
　　以下是一些單板元器件熱分析使用的重要熱阻概念，這些熱阻參數一般由元器件生產廠商根據標準實驗測量提供，可在器件的用戶說明書中查出：
2.1.4.1 結至空氣熱阻Rja：元器件的熱源結（junction）到周圍冷卻空氣（ambient）的總熱阻，乘以其發熱量即獲得器件溫升。
2.1.4.2 結至殼熱阻Rjc：元器件的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發熱量即獲得結與殼的溫差。
2.1.4.3 結至板熱阻Rjb：元器件的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即獲得結與單板間的溫差。
2.1.5 導熱系數
DKBA0.400.0037 REV. 1.0
表征材料導熱性能的參數指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導熱量，單位為W/m.K或W/m.℃
2.1.6 對流換熱系數
反映兩種介質間對流換熱過程的強弱，表明當流體與壁面的溫差為1 ℃時，在單位時間通過單位面積的熱量，單位為W/m2.K或W/m2.℃
2.1.7 層流與紊流(湍流)
層流指流體呈有規則的、有序的流動，換熱系數小，熱阻大，流動阻力小；
紊流指流體呈無規則、相互混雜的流動，換熱系數大，熱阻小，流動阻力大。層流與紊流狀態一般由雷諾數來判定。在熱設計中，盡可能讓熱耗大的關鍵元器件周圍的空氣流動為紊流狀態，因為紊流時的換熱系數會是層流流動的數倍。
2.1.8 流阻
反映流體流過某一通道時所產生的靜壓差。單位帕斯卡或In. water
2.1.9 黑度
實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在0~1之間。它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。表面粗糙，無光澤，黑度大，輻射散熱能力強。
2.1.11雷諾數Re(Reynlods)
雷諾數的大小反映了空氣流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數是說明流體流態的一個相似準則數。其定義一般為式中u為空氣流速，單位m/s； D為特征尺寸，單位m，根據具體的對象結構情況取值； 為運動粘度，單位m2/s。
2.1.12 普朗特數Pr(Prandtl)
普朗特數是說明流體物理性質對換熱影響的相似準則數。空氣的Pr數可直接根據定性溫度從物性表中查出。
2.1.13 努謝爾特數Nu(Nusseltl)
反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是一個說明對流換熱強弱的相似準則數。其定義一般為
h為換熱系數，單位W/m2.℃；D為特征尺寸； 為導熱系數，單位W/m.℃。
2.1.14 通風機的特性曲線
指通風機在某一固定轉速下工作，靜壓隨風量變化的關系曲線。當風機的出風口完全被睹住時，風量為零，靜壓最高；當風機不與任何風道連接時，其靜壓為零，而風量達到最大。

2.1.15 系統的阻力特性曲線
系統(或風道)的阻力特性曲線：是指流體流過風道所產生的壓降隨空氣流量變化的關系曲線，與流量的平方成正比。
2.1.16 通風機工作點
系統(風道)的特性曲線與風機的靜壓曲線的交點就是風機的工作點。
2.1.17 速度頭
　　一般使用空氣的動壓頭來作為電子設備機箱壓降的慣用基準，其定義為為空氣密度，u為空氣流速。風道中空氣的靜壓損失就由速度頭乘以阻力損失系數獲得。
2.2 熱量傳遞的基本方式及傳熱方程式
熱量傳遞有三種方式：導熱、對流和輻射，它們可以單獨出現，也可能兩種或三種形式同時出現
2.2.1導熱的基本方程：
　　導熱是在同一種介質中由于存在溫度梯度所產生的傳熱現象。(2-1)
λ---- 導熱系數，W/m.K或W/m.℃; A導--- 導熱方向上的截面面積，m2---- x方向上的溫度變化率，℃; R導----- 導熱熱阻, ℃/W
　　根據方程的形式，可以看出，要增強散熱量，減小溫升，可以增加導熱系數，選用導熱系數高的材料，如銅（約360W/m℃）或鋁（約160W/m℃）；增加導熱方向上的截面積；減小導熱方向上的路徑。
2.2.2 對流的基本方程：
　　對流是由流體與流體流經的固體表面之間存在的溫差產生的換熱現象。
(2-2)
h---- 對流換熱系數，W/m2.K或W/m2.℃; A對--- 有效對流換熱面積，m2
tw---- 熱表面溫度，℃; ta---- 冷卻空氣溫度，℃;
R對流----- 對流熱阻, ℃/W
　　由方程可見，要增強對流換熱，可以加大換熱系數和換熱面積。
2.2.3 輻射的基本方程：
(2-3)
DKBA0.400.0037 REV. 1.0
---- 系統黑度，
ε1，ε2----分別為高溫物體表面（如發熱器件）和低溫物體表面（如機殼內表面）的黑度;
F12------ 表面1到表面2的角系數。即表面1向空間發射的輻射落到表面2的百分數。
A1 ---物體1的有效輻射面積，m2;
　　　　 T1, T2--分別為物體1和物體2的絕對溫度，K
　　由方程可見，要增加輻射換熱，可以提高熱源表面的黑度和到冷表面的角系數，增加表面積。
2.3 增強散熱的方式
　　以下一些具體的散熱增強方式，其實就是根據上述三種基本傳熱方程來增加散熱量的：
2.3.1 增加有效散熱面積。如在芯片表面安裝散熱器；將熱量通過引線或導熱絕緣材料導到PCB板中，利用周圍PCB板的表面散熱。
2.3.2 增加流過表面的風速，可以增加換熱系數。
2.3.3破壞層流邊界層，增加擾動。紊流的換熱強度是層流的數倍，抽風時，風道橫截面上速度分布比較均勻，風速較低，一般為層流狀態，換熱避面上的不規則凸起可以破壞層流狀態，加強換熱，針狀散熱器和翅片散熱器的換熱面積一樣，而換熱量卻可以增加30%，就是這個原因。吹風時，風扇出口風速分布不均，有主要流動方向，局
部風速較高，一般為紊流狀態，局部換熱強烈，但要注意回流低速區換熱較差。
2.3.4 盡量減小導熱界面的接觸熱阻。在接觸面可以使用導熱硅膠（絕緣性能好）或鋁箔等材料。
2.3.5 設法減小散熱熱阻。在屏蔽盒等封閉狹小空間內的單板器件主要通過空氣的受限自然對流和導熱、輻射散熱，由于空氣的導熱系數很小，所以熱阻很大。如果將器件表面和金屬殼內側通過導熱絕緣墊接觸，則熱阻將大大降低，減小溫升。

第三章 自然對流換熱
　　當發熱表面溫升為40℃或更高時，如果熱流密度小于0.04W/cm2 ，則一般可以通過自然對流的方式冷卻，不必使用風扇。自然對流主要通過空氣受熱膨脹產生的浮升力使空氣不斷流過發熱表面，實現散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設備，所以不需要維護，成本最低。只要熱設計和熱測試表明系統通過自然對流足以散熱，應盡量不使用風扇。
3.1 自然對流熱設計要考慮的問題
　　如果設計不當，元器件溫升過高，將不得不采用風扇。合理全面的自然對流熱設計必須考慮如下問題：
3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件時，應將不耐熱的元件放在靠近進風口的位置，而且位于功率大、發熱量大的元器件的上游，盡量遠離高溫元件，以避免輻射的影響，如果無法遠離，也可以用熱屏蔽板（拋光的金屬薄板，黑度越小越好）隔開；將本身發熱而又耐熱的元件放在靠近出風口的位置或頂部； 一般應將熱流密度高的元
器件放在邊沿與頂部，靠近出風口的位置，但如果不能承受較高溫度，也要放在進風口附近，注意盡量與其他發熱元件和熱敏元件在空氣上升方向上錯開位置；大功率的元器件盡量分散布局，避免熱源集中； 不同大小尺寸的元器件盡量均勻排列，使風阻均布，風量分布均勻。
　　單板上元器件的布局應根據各元件的參數和使用要求綜合確定。
3.1.2 是否有足夠的自然對流空間。 元器件與元器件之間，元器件與結構件之間應保持一定距離，通常至少13mm，以利于空氣流動，增強對流換熱。一些具體的參考距離尺寸如下：
3.1.2.1 對相鄰的兩垂直發熱表面，d/L=0.25，如圖3-1-(a)所示;
3.1.2.2 對相鄰的垂直發熱表面與冷表面間距,dmin=2.5mm, 如圖3-1-(b)所示;
3.1.2.3.對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的上表面之間,d/D=0.85, 如圖3-1-(c)所示;
3.1.2.4 對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的垂直表面之間,d/D=0.7, 如圖3-1-(d)所示;
3.1.2.5 對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的水平底面之間,d/D=0.65, 如圖3-1-(e)所示;

第四章 強迫對流換熱-風扇冷卻
　　當散熱面熱流密度超過0.08W/cm2，就必須采用強迫風冷的方式散熱。強迫風冷在我公司產品中應用最多。有時盡管不用風扇可以散熱，但散熱器和機箱體積會很大，采用風扇冷卻可以將體積減小許多。
4.1 風道的設計
　　強迫風冷中風道的設計非常重要。以下是設計的一些基本原則：
 盡量采用直通風道，避免氣流的轉彎。在氣流急劇轉彎的地方，應采用導風板使氣流逐漸轉向，使壓力損失達到最小。
 盡量避免驟然擴展和驟然收縮。
 進出風口盡量遠離，防止氣流短路。
 在機柜的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，防止氣流短路。
 為避免上游插框的熱量帶入下游插框，影響其散熱，可以采用獨立風道，分開散熱。
 風道設計應保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區和低速區產生熱點。
 對于并聯風道應根據各風道散熱量的要求分配風量, 避免風道阻力不合理布局 要避免風道的高低壓區的短路

4.2 抽風與吹風的區別
4.2.1 吹風的優缺點
a. 風扇出口附近氣流主要為紊流流動，局部換熱強烈，宜用于發熱器件比較集中的情況，此時必須將風扇的主要出風口對準集中的發熱元件。
b. 吹風時將在機柜內形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進入機柜/箱。
c. 風扇將不會受到系統散熱量的影響，工作在在較低的空氣溫度下，風扇壽命較長。
d. 由于吹風有一定方向性，對整個插框橫截面上的送風量會不均勻。
e. 在風扇HUB附近和并聯風扇之間的位置有部分回流和低速區，換熱較差，最好將風扇與插框保持50mm以上的間距，使送風均勻化。
4.2.2 抽風的特點
a. 送風均勻，適用于發熱器件分布比較均勻，風道比較復雜的情況。
b. 進入風扇的流動主要為層流狀態。
c. 風扇將在出風口高溫氣流下工作，壽命會受影響。
d. 機柜內形成負壓，縫隙中的灰塵
4.3 風扇選型設計
4.3.1 風扇的種類
　　通信產品中運用的風扇有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）
三種，它們的典型特性曲線見圖4-1

從圖中的對比可以看出，軸流風扇風量大、風壓低，曲線中間的平坦轉折區為軸流風扇特有的不穩定工作區，一般要避免風扇工作在該區域。最佳工作區在低風壓、大流量的位置（曲線的后1/3段）。如果系統的阻力比較大，也可以利用高風壓、低流量的工作區（曲線的前1/3段），但要注意風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風方向垂直，其特點為風壓大、風量低，最好工作在曲線中壓力較高的區域。混流風扇的特點介于軸流和離心之間，出風方向與進風有一傾斜角度，則風量可以立即擴散到插框的各個角落，而且風壓與風量都比較大，但風扇HUB直徑較大，正對HUB的部分風速很低，回流比較嚴重。　
　目前公司除極個別產品采用混流風扇外，一般都采用軸流風扇。我公司采用的風扇產品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的風扇雖然性能好，但在商務采購上評級為D，不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。
4.3.2 風扇與系統的匹配
　　空氣流過風道將產生壓力損失。系統的壓力損失有沿程阻力損失和局部阻力損失。沿程損失是由氣流相互運動產生的阻力及氣流與壁面或單板的摩擦所引起的。局部阻力損失是氣流方向發生變化或風道截面發生突變所引起的損失。不管哪種損失，
均和當地風速的平方成正比，如局部壓力損失由下式計算

柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量，采用風扇并聯使用的方式。風扇并聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加，如圖4-3所示，實際上一般會比理想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯使用產生的風量并不是僅采用一個風扇時產生風量的兩倍，可能只增加30%，這和系統阻力特性曲線在工作點附近的斜率大小有關。如果系統阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯的數目多到一定程度時，并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯風扇數目不要超過3個，如果插框較寬，可以用4個，縱向上除非插框很深，一般只用一排。

4.3.5 風扇的噪音問題
　　風扇產生的噪音與風扇的工作點或風量有直接關系，如圖4-6所示，對于軸流風扇 在大風量，低風壓的區域噪音最小，對于離心風機在高風壓，低風量的區域噪音最小，這和風扇的最佳工作區是吻合的。注意不要讓風扇工作在高噪音區。

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

附：
一、熱設計仿真軟件介紹：
　　該種軟件運用計算流體力學（CFD）原理對電子系統結構進行三維流場和溫度場計算，可獲得任意局部的流速、溫度和風壓，可進行機柜系統級、單板級到元器件級的綜合熱分析。具體可幫助熱設計工程師解決如下問題：
1. 實現通風風扇與風道阻力特性的匹配選型設計。 在充分實驗工作了解了機柜中典型模塊（各類典型單板插框、配電箱、屏蔽板、防塵板、進出通風口等）的阻力特性經驗參數后，輸入到仿真軟件的阻力邊界條件中，軟件會根據風扇的性能曲線結合計算出的風道阻力計算其工作點，獲得流量、壓降與風速。只要前期實驗工作充分，軟件計算結果可以可靠地指導設計工作。
2. 可在方案初期通過仿真預測，論證散熱方式的可行性。
3. 可比較不同的風道設計、風扇與通風口的位置與尺寸、相鄰單元或單板的距離、模塊結構布局等方案下系統的相對散熱情況，指導設計人員獲得最佳方案。也可幫助設計人員避免不當的通風結構布置。
4. 可了解風道中大致的流場分布，發現回流與低速區，指導風道結構的改進設計，也可為元器件布板人員提供參考，優化關鍵器件的位置。
5. 可優化散熱器的形狀和尺寸，獲得其熱阻參數，便于其選型設計。
6. 在積累了足夠的實踐經驗后，如果提供的功耗等輸入參數比較準確，可以比較準確地預測元器件的大致溫升，在樣機制造前即避免熱設計的不當之處，并進行模擬優化，減少實驗的反復工作和開發周期，提高產品競爭力。這項工作可分兩步走，先通過系統級計算獲得單板的邊界條件（空氣風速和來流溫度），然后再對單板進行具體細節分析，獲得具體器件的溫升。
二、參考文獻
1. GJB/Z 27-92 ，電子設備可靠性熱設計手冊，1992年7月18日發布
2. 電子設備冷卻技術，D. S. 斯坦伯格，傅軍譯，航空工業出版社，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

熱設計規范下載:  熱設計技術規范

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