西交大_電子設備熱設計

admin 2011-08-27

熱設計的有關概念
（1）熱設計
      利用熱傳遞特性通過冷卻裝置控制電子設備內部所有電子元器件的溫度，使其在設備內所處的工作環境條件下，不超過規定的最高允許溫度的設計技術。
（2）熱評估：評估電子設備熱設計是否合理的方法和手段。
（3）熱分析
    又稱熱模擬，是利用數學的手段，通過計算機模擬，在電子設備的設計階段獲得溫度分布的方法，它可以使電子設備設計人員和可靠性設計人員在設計初期就能發現產品的熱缺陷，從而改進其設計，為提高產品設計的合理性及可靠性提供有力保障。
（4）熱試驗：將電子設備置于模擬的熱環境中，測量其溫度或溫度分布。
（5）熱流密度
      單位面積的熱流量。
（6）體積功率密度
      單位體積的熱流量。
（7）熱阻
      熱量在熱流路徑上遇到的阻力（內熱阻、外熱阻、系統熱阻）。溫差越大，熱流量就越大。△T＝RQ 熱阻的單位是℃/W。
（8）熱阻網絡
熱阻的串聯、并聯或混聯形成的熱流路徑圖。
（9）功耗
電子設備工作時需要電功率，因為元器件并非完全有效，因而有不少功率轉換成熱。如果找不到一條通路來散熱，溫度就會升高。最重要的熱流量是功耗。
（10）冷板
   利用單相流體強迫流動帶走熱量的一種換熱器。
（11）熱沉
    是一個無限大的熱容器，其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化。它可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙等。又稱熱地。也稱“最終散熱器”。Heat Sink

2. 熱設計的方法

電子產品熱設計應首先根據設備的可靠性指標及設備所處的環境條件確定熱設計目標，熱設計目標一般為設備內部元器件允許的最高溫度，根據熱設計目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印制電路板散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。常見的熱設計流程見圖所示。

熱設計目標的確定：熱設計目標通常根據設備的可靠性指標與設備的工作環境條件來確定，已知設備的可靠性指標，依據GJB/ 299B－1998《電子設備可靠性預計手冊》中元器件失效率與工作溫度之間的關系，可以計算出元器件允許的最高工作溫度，此溫度即為熱設計目標。工程上為簡便計算，通常采用元器件經降額設計后允許的最高溫度值做為熱設計目標。

工程上為簡便計算，通常采用元器件經降額設計后允許的最高溫度值做為熱設計目標。

降額參數降額等級
        Ⅰ Ⅱ Ⅲ
頻   率   0.80 0.90 0.90
輸出電流 0.80 0.90 0.90
最高結溫℃ 85 100 115

常用冷卻方法的選擇和設計要求

電子設備的冷卻方法包括自然冷卻、強迫空氣冷卻、強迫液體冷卻、蒸發冷卻、熱電致冷(半導體致冷)、熱管傳熱和其它冷卻方法（如導熱模塊、冷板技術等）。其中自然冷卻、強迫空氣冷卻、強迫液體冷卻和蒸發冷卻是常用的冷卻方法。

冷卻方法的選擇示例

功耗為300W的電子組件，擬將其安裝在一個248mm×381mm×432mm的機柜里，放在正常室溫的空氣中，是否需要對此機柜進行特殊的冷卻措施？是否可以把此機柜設計得再小一些？
首先計算該機柜的體積功率密度和熱流密度。

由于體積功率密度很小，而熱流密度值與自然空氣冷卻的最大熱流密度比較接近，所以不需要采取特殊的冷卻方法，而依靠空氣自然對流冷卻就足夠了。

3.機箱自然對流熱設計

影響自然對流冷卻的因素：
印制板的間距
電子元件耗散功率
自然對流換熱表面傳熱系數
機箱表面和環境空氣之間的溫差
機箱表面積

自然對流冷卻設計要求
最大限度的利用導熱、自然對流和輻射散熱；
縮短傳熱路徑，增大換熱或導熱面積；
減小安裝時的接觸熱阻，元器件的排列有利于流體的對流換熱
采用散熱印制電路板，熱阻小的邊緣導軌；
印制板組裝件之間的距離控制在19-21mm；
增大機箱表面黑度，增強輻射換熱。

4. 強迫對流熱設計
4-1 強迫風冷設備，著重考慮兩個問題
風機的選用
風機的形式
風量與風壓的估算
風機的串并聯應用　
風機的安裝技術
風道的設計
低氣流阻力設計
均壓送風設計
風機的性能參數
　風量風壓功率效率

風機的選擇結構類型
風機的分類
軸流式：風量大、風壓小
離心式：風量小、風壓高
離心式風機：氣流從軸向流進，然后在葉輪內轉90度作徑向流動，再經蝸殼排出。
軸流式風機：氣流的進、出方向與軸向一致。

風機的性能
軸流風機：簡單、廉價、流量大、壓頭小、噪音大；
離心風機：復雜、價貴、壓頭高、噪音小。

空氣流過機箱時的壓力損失計算
壓力損失（也稱壓降）包括兩部分：
　靜壓損失：流體流經管道壁面時引起的摩擦損失；
動壓損失：流體進出口以及流經彎頭、槽道橫截面變化、過濾器等處引起的動力損失。

風機的串并聯特性
風機串聯工作時每臺風機的風量一樣，風壓為兩臺風機所產生的風壓之和。
風機并聯工作時每臺風機的風壓不變，風量為兩臺風機所產生的風量之和。 P31 圖

風機布置位置的選擇箱體進口：有利于清除塵埃與贓物，增加氣流的擾動，
但使氣流進口溫度提高；

直接冷卻設計的參考原則
        風機的容量選擇要適當；
        如果馬達引起的空氣溫升可以接受，應將風機置于箱體
的進口處；
        空氣出口通道的位置與大小適當，以使整個箱體都有合
適的氣流流過；出口截面積至少等于進口截面積，以防止氣
流阻塞(chocking);
關鍵元件置于進口氣流溫度低處；大功率元件置于箱體
出口（圖6-10）；
合理地布置組件及印制板以盡力減小箱體對空氣的流動
阻力：例如減少不必要的尖角、彎頭、突擴或突縮；不使局
部地區流速過高（ > 7m/s）或過低（會使傳熱惡化，塵埃沉積）

強迫風冷設計注意事項
用于冷卻設備內部元器件的空氣必須經過過濾；
強迫空氣流動方向與自然對流空氣流動方向應一致；
入口空氣溫度與出口空氣溫度之溫差一般不超過14℃；
冷卻空氣入口與出口位置應遠離；
應避免潮濕空氣與元器件直接接觸，
可采用空芯印制電路板或采用風冷冷板冷卻的機箱；
盡量減小氣流噪聲和通風機的噪聲；
大型機柜強迫風冷時，應盡量避免機柜縫隙漏風；
電子設備強迫空氣冷卻應考慮高度對空氣密度的影響；
電子設備冷卻空氣的溫度不應低于露點溫度。