電子科技大學_產品的熱設計方法

admin 2011-08-27

散熱器的設計方法
? 散熱器冷卻方式的判據

? 對通風條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2，可采用自然風冷。
? 對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2，可采用自然風冷。
? 散熱器強迫風冷方式的判據
? 對通風條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。
? 對通風條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風冷。
? 散熱器設計的步驟

     通常散熱器的設計分為三步
    1:根據相關約束條件設計處輪廓圖。
    2:根據散熱器的相關設計準則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進行優化。
    3:進行校核計算。
? 自然冷卻散熱器的設計方法

? 考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.2倍齒高來確定散熱器的齒間距。
? 自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱齒表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱齒表面不加波紋齒。
? 自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理，以增大散熱表面的輻射系數，強化輻射換熱。
? 由于自然對流達到熱平衡的時間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應足夠，以抗擊瞬時熱負荷的沖擊，建議大于5mm以上。
? 強迫冷卻散熱器的設計方法

? 在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應小于0.5mm。
? 增加散熱器的齒片數。目前國際上先進的擠壓設備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內目前高寬比最大只能達到8。對能夠提供足夠的集中風冷的場合，建議采用低溫真空釬焊成型的冷板，其齒間距最小可到2mm。
? 采用針狀齒的設計方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數。
? 當風速大于1m/s(200CFM)時，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。

? 在一定冷卻條件下，所需散熱器的體積熱阻大小的選取方法
? 在一定的冷卻體積及流向長度下，確定散熱器齒片最佳間距的大小的方法
? 不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較
? 散熱器的相似準則數及其應用方法
? 相似準則數的定義
? 散熱器的相似準則數及其應用方法
? 相似準則數的應用
? 散熱器的基板的優化方法
? 不同風速下散熱器齒間距選擇方法
? 不同風速下散熱器齒間距選擇方法
? 優化散熱器齒間距的經驗公式及評估風速變化對熱阻的影響的經驗公式
? 輻射換熱的考慮原則
? 如果物體表面的溫度低于50℃，可忽略顏色對輻射換熱的影響。因為此時輻射波長相當長，處于不可見的紅外區。而在紅外區，一個良好的發射體也是一個良好的吸收體，發射率和吸收率與物體表面的顏色無關。
? 對于強迫風冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射換熱的貢獻。
? 如果物體表面的溫度低于50℃，
可不考慮輻射換熱的影響。
? 輻射換熱面積計算時，如表面
積不規則，應采用投影面積。
即沿表面各部分繃緊繩子求得
的就是這一投影面積，如圖所示。輻射傳熱要求輻射表面必須彼此可見。
熱設計的計算方法
? 冷卻方式的選擇方法
? 確定冷卻方法的原則
      在所有的冷卻方法中應優先考慮自然冷卻，只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時，才考慮其它冷卻。
? 冷卻方式的選擇方法1:根據溫升在40℃條件下各種冷卻方式的熱流密度或體積功率密度值的范圍來確定冷卻方式，具有一定的局限性，如圖1所示。

? 冷卻方式的選擇方法2:根據熱流密度與溫升要求，按圖2所示關系曲線選擇，此方法適應于溫升要求不同的各類設備的冷卻
? 冷卻方式的選擇方法案例
   某電子設備的功耗為300W，機殼的幾何尺寸為248×381×432mm，在正常大氣壓下，若設備的允許溫升為40℃，試問采用那種冷卻方法比較合理？
        計算熱流密度：                q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2
             根據圖2查得，當△t=40℃，q=0.04W/cm2時，其交點正好落在自然冷卻范圍內，所有采用自然冷卻方法就可以滿足要求。
        若設備的溫升有嚴格限制，假設只允許10℃，由圖2可以看出，需強迫風冷才能滿足要求。
? 機箱的熱設計計算
? 密封機箱
       WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT

? 對通風機箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT

? 對強迫通風機箱
WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+ 1000QfΔT
? 自然冷卻時進風口面積的計算

      在機柜的前面板上開各種形式的通風孔或百葉窗，以增加空氣對流，進風口的面積大小按下式計算：
                    Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)
                           s-通風口面積的大小，cm2
                          Q-機柜內總的散熱量，W
                          H-機柜的高度，cm，約模塊高度的1.5-1.8倍，
                         Δt=t2-t1－內部空氣t2與外部空氣溫度 t1 之差， ℃
            出風口面積為進風口面積的1.5-2倍
? 強迫風冷出風口面積的計算
? 模塊
      有風扇端的通風面積:
                    Sfan=0.785(φin2－φhub2)
      無風扇端的通風面積S=(1.1-1.5) Sfan
? 系統
       在后面板(后門)上與模塊層對應的位置開通風口，通風口的面積大小應為：
                    S＝(1.5-2.0)(N×S模塊)
                    N---每層模塊的總數
                   S模塊---每一個模塊的進風面積
? 通風面積計算的案例
[案例] 鐵道信號電源機柜模塊及系統均為自然冷卻，每層模塊的散熱量為360W，模塊的高度為7U，進出口溫差按20℃計算，機柜實際寬度為680mm，試計算每層進出風口的面積？
        H按2倍模塊的高度計算，即 H=2×7U=14U
        進風口的面積按下式計算：
          Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)
            =360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2
        進風口高度h
               機柜的寬度按B=680mm計，則進風口的高度為：
                H=Sin/B=875/68=128.7mm
       b 出風口面積Sout
        Sout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2
? 實際冷卻風量的計算方法

          q`=Q/(0.335△T)
               q`---實際所需的風量，M3/h
               Q----散熱量，W
               △T-- 空氣的溫升，℃，一般為10－15℃。
     確定風扇的型號經驗公式：
    按照1.5-2倍的裕量選擇風扇的最大風量：
         q=(1.5-2)q` 按最大風量選擇風扇型號。
? 實際冷卻風量的計算方法
? 案例：10K UPS主功率管部分的實際總損耗為800W，空氣溫升按15℃考慮，請選擇合適的風扇。
?        實際所須風量為：
?        q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h
?         按照2倍的裕量選擇風扇的最大風量：
?          q=2q`=2×159.2=318.4m3/h
?         下表風扇為可選型號
? 型材散熱器的計算
? 散熱器的熱阻
        散熱器的熱阻是從大的方面包括三個部分。
RSA=R對+R導+ R輻
　　　       R對=1/（hc F1）
                                F1--對流換熱面積(m), hc –對流換熱系數(w/m2.k)
                       R輻--輻射換熱熱阻，對強迫風冷可忽略不計
                                                             對自然冷卻 R輻＝1/(4бεTm3)
                        R導＝R 基板＋R肋導
                                              ＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R對流
                                       λ--導熱系數，w/m.h.℃
                                               δ-- 散熱器基板厚度(m)
                                               η-- 肋效率系數
                                                F2--基板的導熱面積(m)
　　　　　　                     　F2=0.785*(d+δ)2
                                                                                 d- 發熱器件的當量直徑（m）

? 型材散熱器的計算
? 對流換熱系數的計算
自然對流
   垂直表面
       hcs=1.414(△t/L)0.25 ，w/m.k
             式中:   △t--散熱表面與環境溫度的平均溫升，℃
                      L--散熱表面的特征尺寸，取散熱表面的高，m
   水平表面，熱表面朝上
             hct=1.322(△t/L)0.25 ，w/m.k
                式中:   △t--散熱表面與環境溫度的平均溫升，℃
                          L--散熱表面的特征尺寸，取L＝2(長×寬)/(長＋寬)，m
   水平表面，熱表面朝下
             hcb=0.661(△t/L)0.25 ，w/m.k
                 式中:   △t--散熱表面與環境溫度的平均溫升，℃
                             L--散熱表面的特征尺寸，取L＝2(長×寬)/(長＋寬)，m
? 型材散熱器的計算
? 對流換熱系數的計算
強迫對流
   層流 Ref<105
             hc＝(1.1-1.4) λ空氣 0.66Ref 0.5/L
   湍流 Ref>105
             hc＝(1.1-1.4) λ空氣 0.032Ref 0.8/L
? 肋片效率
            對直齒肋：
                       η=th(mb)/(mb))
                             m=(2 hc/λδ0)
                                 δ0：肋片根部厚度(m)
　　　　　　     b. 肋高(m)　　　　
? 型材散熱器的計算
? 散熱器的流阻計算
    散熱器的流阻包括沿程阻力損失及局部阻力損失
            △P＝hf+hj
                   =λf•L/de•ρV22/2+ζρV22/2
                             λf --沿程阻力系數
                              L--流向長度(m)
                              de--當量水利直徑(m)，de=4A流通/濕周長
                              V--斷面流速(m/s)
   沿程阻力系數計算λf
         層流區：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re
         紊統光滑區 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25
                  υ--運動粘度系數（m2/s），從文獻中查找
? 型材散熱器的計算
? 散熱器的流阻計算
局面阻力系數ζ
突然擴大
       按小面積流速計算的局部阻力系數：ζ1＝(1-A1A2)
       按大面積流速計算的局部阻力系數： ζ2＝(1-A2/A1)
突然縮小
        可從相關的資料中查閱經驗值。
? 型材散熱器的計算
? 【案例】散熱器DXC-616(天津鋁合金廠編號)，截面圖略，散熱器的截面積為77.78cm2，周長為2.302m，單位長度的重量為21KG/m。風扇采用PAPST 4656Z ，風扇功率19W，最大風量為160m3/h，壓頭為70Pa.
   風道阻力曲線的計算
         入口面積：Fin=0.785×D2 =0.785×0.1192=0.01116m2
          流通面積：Ff=Fin-Fc=0.01116-0.007778=3.338×10-3m2
          水力直徑： de＝4Ff/x=4×3.338×10-3/2.302=5.8×10-3m
      由于風速較低，一般最大不會超過6m/s，雷諾數<2300，沿程阻力系數按下式計算：λ=64/Re＝64 ν/Vde
       沿程阻力按下式計算：
          hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64 ν/Vde)(L/de)(ρV2/2)
            =(64×16.96×10-6×0.24/(V×0.00582))(ρV2/2)
            =(8.07/V)(ρV2/2)
         局部阻力按下式計算：
          hj＝ξρV2/2
         對于突然縮小，A2/A1=0.003338/0.01116=0.3，查表得ξ＝0.38
        總阻力損失 H=hf+ hj=(0.38+8.07/V )(ρV2/2)
? 型材散熱器的計算
? 【案例】續
   確定風扇的工作點
        10KVA UPS 的選擇風扇為PAPST 4656Z，我們把風道曲線與風扇的曲線進行疊加，其交點即為風扇的工作點，給工作點對應的風速為5m/s，壓力為35Pa.
   散熱器的校核計算
        雷諾數 Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104
        努謝爾特數： Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6604×104)0.5=157
        對流換熱系數：hc=1.4λNuf/L=21.7w/m.k
           m=(2 hc/λδ)0.5=9.82
           ml=9.82×0.03=0.295，查得：η＝0.96
           該散熱器的最大散熱量為（散熱器臺面溫升按最大40℃考慮)：
            Q＝hcF△t η=460.4W
         計算結果表面，散熱器及風扇選型是合理的。

冷板的計算方法
? 傳熱計算
確定空氣流過冷板后的溫升：t=Q/qmCp
確定定性溫度    tf=(2ts+t1+t2)/4，冷板臺面溫度 ts為假定值
設定冷板的寬度為b，則通道的橫截面積為Ac ，Ac=b×Ac0
確定定性溫度下的物性參數(μ、Cp、ρ、Pr)。
流體的質量流速和雷諾數        G=qm/Af        Re=deG/μ
根據雷諾數確定流體的狀態(層流或紊流)， Re<1800, 層流， Re>105, 湍流
根據流體的狀態(層流或紊流)計算考爾本數J
       Re<1800,層流   J=6/Re 0.98 Re>105,湍流     J=0.023/Re 0.2
        也可以根據齒形及雷諾數從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
? 冷板的計算方法
? 傳熱計算
計算冷板的換熱系數： h= JGCpPr2/3
計算肋片的效率 m=(2h/λδ)0.5，ηf=th(ml)/ml（也可以根據ml值查相應的圖表得到肋片效率)
計算冷板的總效率：忽略蓋板及底版的效率，總效率為：                                                                                    A＝At+Ar＋Ab， η0＝1－Ar(1-ηf)/A
計算傳熱單元數    NTU＝hη0A/qmCp
計算冷板散熱器的臺面溫度
                  ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)
? 冷板的計算方法
? 流體流動阻力計算
計算流通面積與冷板橫截面積之比
             σ=Af/Ac
查空氣進入冷板時入口的損失系數Kc=f(Re,σ)：根據雷諾數Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得
查摩擦系數f=f(Re,σ)：根據雷諾數Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得
計算流動阻力
△P＝G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1)
? 冷板的計算方法
? 判斷準則
確定是否滿足ts<[ts]，如果不滿足，需增大換熱面積或增大空氣流量。
確定是否滿足△P<[△P]，如果不滿足，需減小冷板的阻力(如選擇阻力較小的齒形、增大齒解決等)或重新選擇壓頭較大的風扇
? 冷板的計算方法
? 案例：10KVA UPS 冷板散熱器，器件的損耗為870.5W，要求冷板散熱器臺面溫升小于30℃(在40℃的環境溫度下)。
            冷板散熱器的截面圖略
               梯形小通道面積：Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2
               每排有29個梯形小通道，共22排，n=29×22=638個
               基板厚度為：9mm
       總的流通面積 Af =30.4×29×22=0.0193952 m2
              冷板的橫截面積 Ac=120×120×2=0.0288 m2
              水力半徑：de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm
? 冷板的計算方法
? 【案例】續

確定風扇的工作點
          Re=de G/μ=deqm/μAf
         在40℃空氣的物性參數為： μ＝19.1×10-6kg/m.s,   ρ１＝1.12kg/m3
          Re=(4.787×10-3×1.12×0.30483 qm1/(60×19.1×10-6×0.0193952)
              =6.831 qm1(qm1的單位為：CFM)
          σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673
? 冷板的計算方法
? 【案例】續
先忽略空氣密度的變化,不同流量的流阻計算如下表所示:

   我們把兩個NMB4715的風扇流量相加，靜壓不變，得出兩個風扇并聯后的靜壓曲線，再把上表的數據繪制成風道曲線并與風扇靜壓曲線進行畫在同一張圖上，其交點即為風扇的工作點，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點對應的風速為4.14m/s。
? 冷板的計算方法
? 【案例】續
空氣流過冷板后的溫升
       空氣口溫度為40 ℃，ρ１＝1.12kg/m3，Cp=1005.7J/kg. ℃
                          μ=19.1×10-6kg/m.s，   Pr=0.699
       質量流量 qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s
       △t= Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63 ℃
定性溫度： tf=(2ts+t1+t2)= (2×80+40+49.63)/4=62.4 ℃
            按定性溫度查物性得： ρ１＝1.06kg/m3，Cp=1005.7J/kg.℃                                                     μ=20.1×10-6kg/m.s，Pr=0.696
換熱系數
質量流速 G=qm/Af =4.14×1.12=4.64kg/m2.s
雷諾數     Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1                      層流     J=6/Re 0.98=6/1105.10.98=6.25×10-3
      h= JGCpPr-2/3=6.25×10-3×4.64×1005.7×0.696-2/3 =37.14W/m2.℃
肋片效率 m=(2h/λδ)0.5=(2×37.14/(180 ×0.001))0.5=20.3
            ml=20.3×0.11=2.23
            ηf=th(ml)/ml=th(2.23)/2.23=0.433
傳熱單元數：NTU＝hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241 =0.5772
冷板的表面溫度： Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃<70℃
                冷板設計方案滿足散熱要求。