第五章第一讲电子设备的自然冷却设计

第五章第一讲电子设备的自然冷却设计自然冷却包括传导、自然对流和辐射换热。具有安全、可靠、价格便宜、维修量小等优点，如满足要求应优先选用。自然冷却用印制板的选取适用于电子设备的印制板的品种较多，为了提高其传热（导热）性能，目前常用的有以下几种散热印制线路板。在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印制板5.2印制板上电子元器件的热安装技术安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。竖直放置、平行排列。印制板的合理间距对于对称的等温竖直平行平板，实验结果表明，两平板的最佳间距为：1/42.714/optbP式中：P——cp——比定压热容，kJ/(kg·℃)；——空气平均密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；αV——体积膨胀系数，℃-1；Δt——板与空气的温差，℃；μ——空气的动力粘度，Pa·s；λ——空气的导热系数，W/(m·℃)。2VpcgtLL——板高度，米其它情况的最佳间距值如下表所示。对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。竖直安装的印制电路板，最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。上述间距下，在71℃的环境中，对于小型印制电路板上热流密度为0.0155W/cm2的组件，其表面温度约为100℃（即温升约为30℃）。自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：0.0155W/cm2。5.2.2自然对流换热表面传热系数计算式第93页表5-2机箱加装散热片n*tD)*L*(2tA5.2.3自然对流的换热网络5.2.4自然冷却开式机箱的热设计（开有通风孔）5.2.5自然冷却闭式机箱的热设计5.5电子设备机柜和机壳的设计采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。下图所示是电子设备自然散热的路径。可以看出机壳是接受设备内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳结构对电子设备的自然冷却显得格外重要。机壳表面的最大热流密度不得超过0.039W/cm2。机柜表面温度不得高于周围环境温度（机房）10℃。外壳必须与底座和支架有良好的导热连接。热路中的大部分热阻存在于接合交界面处。所有金属间的接触面必须清洁、光滑，并且接触面积应尽可能大，且应有足够的接触压力。铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为6.45～25.8cm2·℃/W。金属厚度以0.25～0.5cm为宜。机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相适应，且压降应小于热空气的浮升压力。进气孔的总面积可按下式计算：0030.51.52.410AHt式中：A0——进风孔面积，cm2；Φ0——通风孔应散热流量，W；H——自然冷却设备机箱高度，cm；Δt=t2－t1；t2——设备内部空气温度，℃；t1——设备外部周围环境温度。通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口则应开在机箱侧上端接近顶板处。通风孔的形状、大小可根据设备应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。机箱（或机壳）内、外表面涂漆，在靠近发热元件的机壳顶部、底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件的温度。第二讲电子设备强迫空气冷却设计2.1强迫空气冷却的热计算2.2通风机2.3系统压力损失及计算2.4强迫空气冷却系统的设计2.5通风管道的设计2.6强迫空气冷却的机箱和机柜设计2.1强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁面和空气之间对流换热系数的确定。对流换热系数的大小与流体流动的状态（层流或紊流）、流体的物性参数、换热面的几何形状和位置等有关。判断流体流动状态的准则是雷诺数Re。对于管内流动，当Re≤2200时，流动属层流；当Re＞104时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。一、环境的影响环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于1360Pa时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。空气的动力粘度μ随温度的升高而增大，而不受压力的影响。干燥空气的密度可由下式计算：152731.2932731.01310Pt式中：ρ——空气密度，kg/m3；t——温度，℃；P1——使用大气压力，Pa。二、空气吸收的热流量和质量流量空气吸收的热量可用下式计算：mpqct式中：Φ——空气吸收的热流量，W；qm——空气的质量流量，kg/s；cp——定压比热，J/(kg·℃)；Δt——空气的温升，℃。空气的质量流量由下式计算：mVqq式中：qm——空气的体积流量，m3/s；ρ——空气密度，kg/m3。三、对流换热在电子设备热设计中的应用流体在管内或槽内流动对非圆形截面管道来说，公式中所用的当量直径为：4eAdU式中：A——管道横截面积，m2；U——湿周长度，m。空气以湍流状态流经管道掠过圆柱体或导线（表5-5，120页）流过球体0.75e0.055RL0.8e0.0198RD平行于平面（或板）mReDb0.6e0.33RDRe在400-1500的层流，带散热片的冷板和热交换器的传热因子7.0Re72.0j2.2通风机通风机可分为离心式（下图(a)）和轴流式下图(b)两类。通风机的选择主要取决于下列因素：空气流量、压力大小、效率、流速、空气管道系统、噪音及通风机特性等。一、离心式风机离心式风机的特点是风压较高，一般用于阻力较大发热元器件或机柜的冷却。离心式风机按叶轮的叶片形状可分为前弯式、径向式和后弯式三种，如上图所示。在给定的转速和尺寸条件下，前弯式的风压最大，出口风速高，相对结构紧凑、质量小，但压损大，风机效率不高，在使用时应防止电机过载。后弯式相反。在设备较小而要求的风压比较大的情况下，应采用前弯式通风机。二、轴流式风机轴流式风机的特点是风量大、风压小。根据其结构形式可分为螺旋桨式、圆筒式和导叶式三种。其中螺旋桨式压力最小，一般用于空气循环装置。圆筒式和导叶式用于中、低系统阻力并且要求提供较大空气流量的电子设备的冷却。三、风机性能主要性能参数：风量、风压、功率和效率风压：全压（扬程,动压+静压），动压（动能），静压（相对压力，皮托管全压和静压）功率：风量×风压效率：风机功率／轴功率三、通风机特性曲线通风机特性曲线是指通风机在某一固定转速下工作时，静压、效率和功率随风量而变化的关系曲线。其中风量与静压关系曲线最为常用。上图是前弯式离心式通风机的特性曲线。特性曲线中存在一效率最高的点，当通风机工作在该点附近时，这就需要选择最佳通风机，以便满足空气流量和静压的要求。四、系统阻力特性与通风机工作点的确定通风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的，并在出口处形成一定的速度头。系统（或通风管道）的阻力曲线是通风冷却系统的静压与空气流量的特性曲线，与流量的平方成正比。右图中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线分别代表不同系统（风道）的特性曲线。系统（阻力）特性曲线与通风机的特性曲线的交点就是该通风机的工作点。五、通风机的选择选择通风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等，其中风量和风压是主要参数。根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。通风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。六、通风机的串联和并联使用当所选通风机的风量或风压不能满足要求时，可考虑通风机的串联或并联方式。通风机的串联使用当通风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用两只通风机串联的工作方式。通风机串联后总风量基本上是每台风机的风量（略有增加），总风压为相同风量下两台通风机风压相加。因此当风道特性曲线比较陡时，即风道阻力较大时，可采用串联形式。通风机的并联使用通风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而总风量是各通风机风量之和。当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。风机的合理安装叶轮安装位置对气流的影响，第110页图5-16七、通风机的噪声选择电子设备冷却用的通风机时，噪声是应重点考虑的因素之一。一般通风机的叶尖若以高的线速度工作时，并且所产生的静压在500Pa以上，则通风机所产生的噪声将随转速的提高而增大。对通风机进行动平衡和静平衡设计，隔震和流线型设计等都可以降低噪声。噪声级可按下式计算：2150lgnnLn式中：Ln——噪声级，dB；n1、n2——转速，s-1。2.3系统压力损失及计算系统压力损失（也称压降）包括两部分：①沿程压力损失。它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失。②局部压力损失。它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。一、沿程压力损失22levlpfd式中：Δpl——沿程压力损失，Pa；v——空气平均流速，m/s；f——沿程阻力系数；ρ——空气密度，kg/m3；l——管道长度，m；de——当量直径，m。对于光滑的管道，其沿程阻力系数f只是Re的函数，可用下列公式计算：a.层流时：64/Refb.紊流且Re≤105时：0.250.3164Refc.紊流且105＜Re＜3×106时：0.20.184Ref对于粗糙管道，沿程阻力系数f是Re及管壁相对粗糙度的函数，可由下图查得。常用管道的绝对粗糙度ε(mm)如下表所示。二、管道局部压力损失当流体的速度和方向发生变化时所引起的局部压力损失由下式计算：22cvp式中：Δpc——局部压力损失，Pa；Σζ——局部阻力损失系数之和，其值如下各表所示；ρ——空气密度，kg/m3；v——空气平均流速，m/s。三、压力损失计算的基本类型已知流速、长度、直径、粘度及粗糙度求压力损失。在电子设备冷却系统的设计中，这是最常见的问题。在这类问题中，流速是由所需要的冷却量确定的；已知压力损失、长度、直径、粘度及粗糙度求流量。在电子设备冷却系统的设计中，一般没有这种情况，因为流量总是由散热量确定的；已知压力损失、流量、长度、粘度及粗糙度求直径。例如利用一台给定的鼓风机，这时管道尺寸将由允许的压降来确定。2.4强迫空气冷却系统的设计强迫空气冷却系统设计的步骤包括：1.根据散热要求，确定冷却空气入口和出口的温度（推荐低于70度）和压力；2.根据可靠性要求确定每个元器件的最高允许温度（或温升）3.根据电性能和空间位置以及冷却功率的要求确定元器件的排列和布置方式；4.确定雷诺数；5.根据系统的结构尺寸和雷诺数，计算空气流过每个电子元器件或元器件组的质量流量（或体积流量）；6.计算系统的总压力损失及需要的冷却功率。一、电子元器件的风冷设计大功率晶体管的外表面积不够大，不能满足直接强迫空气冷却，必须采用扩展表面的散热器。大规模集成电路的功率密度比较大，可以采用直接强迫空气冷却。应使其一个平面暴露在流速较高的风道中进行冷却。电阻器成组安装时，它们之间的空隙应尽可能地大。当电阻器装在一块垂直板或底座上时，电阻器的轴线必须垂直。当电阻器轴线呈水平方向时，电阻器必须叉排，以提高其紊流程度和冷却效果。电子设备用的变压器和电感器内热阻很大，因此采用强迫风冷时，变压器与散热器之间应具有低热阻的传热路径。二、稳流器强迫空气冷却时，就局部冷却而言，紊流比层流的效果要好。强迫空气冷却的设备应保证紊流出现在靠近发热器件的表面，其措施是适当地使热源相互靠近，或者靠近管道壁使距离间隙缩小，或者加装稳流器以便增加其紊流程度。右图(a)是在垂直于气流方向上装一个稳流器，图