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热设计-电子科技大学 PPT.ppt

热设计-电子科技大学 PPT

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2019-05-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《热设计-电子科技大学 PPTppt》,可适用于高等教育领域

你们好**产品的热设计方法**介绍为什么要进行热设计?高温对电子产品的影响:绝缘性能退化元器件损坏材料的热老化低熔点焊缝开裂、焊点脱落。温度对元器件的影响:一般而言温度升高电阻阻值降低高温会降低电容器的使用寿命高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降一般变压器、扼流圈的允许温度要低于C温度过高还会造成焊点合金结构的变化mdashIMC增厚焊点变脆机械强度降低结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加导致集电极电流增加又使结温进一步升高最终导致元件失效。**介绍热设计的目的控制产品内部所有电子元器件的温度使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。在本次讲座中将学到那些内容风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计的影响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势。*概述风路的设计方法:通过典型应用案例让学员掌握风路布局的原则及方法。产品的热设计计算方法:通过实例分析了解散热器的校核计算方法、风量的计算方法、通风口的大小的计算方法。风扇的基本定律及噪音的评估方法:了解风扇的基本定律及应用了解噪音的评估方法。海拔高度对热设计的影响及解决对策:了解海拔高度对风扇性能的影响、海拔高度对散热器及元器件的影响了解在热设计如何考虑海拔高度对热设计准确度的影响。热仿真技术:了解热仿真的目的、要求常用热仿真软件介绍。热设计的发展趋势:了解最新散热技术、了解新材料。**风路设计方法自然冷却的风路设计设计要点机柜的后门(面板)不须开通风口。底部或侧面不能漏风。应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。机柜上部的监控及配电不能阻塞风道应保证上下具有大致相等的空间。对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面。对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。**风路设计方法自然冷却的风路设计设计案例*风路设计方法自然冷却的风路设计典型的自然冷机柜风道结构形式**风路设计方法强迫冷却的风路设计设计要点如果发热分布均匀元器件的间距应均匀以使风均匀流过每一个发热源如果发热分布不均匀在发热量大的区域元器件应稀疏排列而发热量小的区域元器件布局应稍密些或加导流条以使风能有效的流到关键发热器件。如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件应在模块内部采用阻流方法使大部分的风量流入散热器。进风口的结构设计原则:一方面尽量使其对气流的阻力最小另一方面要考虑防尘需综合考虑二者的影响。风道的设计原则风道尽可能短缩短管道长度可以降低风道阻力尽可能采用直的锥形风道直管加工容易局部阻力小风道的截面尺寸和出口形状风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致以避免因变换截面而增加阻力损失截面形状可为园形也可以是正方形或长方形*风路设计方法强迫冷却的风路设计典型结构*风路设计方法强迫冷却的风路设计电源系统典型的风道结构吹风方式**风路设计方法强迫冷却的风路设计电源系统典型的风道结构抽风方式**热设计的基础理论自然对流换热大空间的自然对流换热Nu=C(GrPr)n定性温度:tm=(tftw)定型尺寸按及指数按下表选取*热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况:()在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合形成环流()夹层厚度delta与高度之比deltah时冷热的自然对流边界层不会相互干扰也不会出现环流可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热()冷热壁温差及厚度均较小以厚度为定型尺寸的Gr=(Bg△tdelta)upsilon时通过夹层的热量可按纯导热过程计算。*热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况:()热面朝上冷热面之间无流动发生按导热计算()热面朝下对气体GrPr,按导热计算()有限空间的自然对流换热方程式:Nu=C(GrPr)m(deltah)n定型尺寸为厚度delta定性温度为冷热壁面的平均温度Tm=(twtw)*热设计的基础理论流体受迫流动换热管内受迫流动换热管内受迫流动的特征表现为:流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响。入口段:流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇合这时管断面流速分布及流动状态才达到定型。这段距离称为入口段。入口段管内流动换热系数是不稳定的所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正。在紊流时如果管长与管内径之比Ld则可忽略入口效应实际上多属于此类情况。管内受迫层流换热准则式:Nu=RePrGr(PrPrw)管内受迫紊流换热准则式:twtfNu=RePrtwtfNu=RePr*热设计的基础理论流体动力学基础流量与断面平均流速流量:单位时间内流过过流断面的流体数量。如数量以体积衡量称为体积流量Q单位为ms(CFM)如数量用重量衡量称为重量流量G单位为Kgs。二者的关系为:G=gammaQ断面平均流速:由于流体的粘性过流断面上各点的流速分布不均匀根据流量相等原则所确定的均匀流速称为断面平均流速。单位ms(CFM)V=QA湿周与水力半径湿周:过流断面上流体与固体壁面相接触的周界长度。用x表示单位m。水力半径:总流过过流断面面积A与湿周x之比称为水力半径应符号R表示单位M。恒定流连续性方程对不可压缩流体:VA=VA对可压缩流体:rhoVA=rhoVA*热设计的基础理论流体动力学基础恒定流能量方程对理想流体:Z+pgammavg=常数实际流体:由于粘性作为会引起流动阻力流体阻力与流体流动方向相反作负功使流体的总能量不断衰减每个断面的Z+pyvgne常数假设流体从断面到断面的能量损失为hw则元流的能量方程式为:Z+pgammavg=Z+pgammavg+hw*热设计的基础理论流体动力学基础流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响使流体在流动过程中受到阻力这个阻力称为流动阻力可分为沿程阻力和局部阻力两种。沿程阻力:在边界沿程不变的区域流体沿全部流程的摩檫阻力。局部阻力:在边界急剧变化的区域如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。层流、紊流与雷诺数层流:流体质点互不混杂有规则的层流运动。Re=Vdenu层流紊流:流体质点相互混杂无规则的紊流运动。显然层流状态下只存在粘性引起的摩檫阻力而紊流状态下除摩檫阻力外还存在由于质点相互碰撞、混杂所造成的惯性阻力因此紊流的阻力较层流阻力大的多。Re=Vdenu紊流*热设计的基础理论流体动力学基础管内层流沿程阻力计算(达西公式)hf=lambda(Lde)(rhoV)lambda-沿程阻力系数lambda=Re管内紊流沿程阻力计算hf=lambda(Lde)(rhoV)lambda=f(Reepsilond)即紊流时沿程阻力系数不仅与雷诺数有关还与相对粗糟度epsilon有关。尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验得出了沿程阻力系数的经验公式:紊流光滑区:Re,lambda采用布拉修斯公式计算:lambda=Re*热设计的基础理论流体动力学基础非园管道沿程阻力的计算引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园管只需把园管直径换成当量水力直径。de=Ax局部阻力hj=xirhoVxi-局部阻力系数突然扩大:按小面积流速计算的局部阻力系数:zeta=(AA)按大面积流速计算的局部阻力系数:zeta=(AA)突然缩小:可从相关的资料中查阅经验值。*散热器的设计方法散热器冷却方式的判据材料热流密度q=and(tt)dand表示材料导热系数t表示热表面的温度t表示冷表面的温度d表示材料厚度热流密度大初生坯壳增长太快会增加振痕mmin弯月面处的热流密度普通结晶器MMWm热顶结晶器MMWm。对通风条件较好的场合:散热器表面的热流密度小于Wcm可采用自然风冷。对通风条件较恶劣的场合:散热器表面的热流密度小于Wcm可采用自然风冷。散热器强迫风冷方式的判据对通风条件较好的场合散热器表面的热流密度大于Wcm而小于Wcm必须采用强迫风冷。对通风条件较恶劣的场合:散热器表面的热流密度大于Wcm而小于Wcm必须采用强迫风冷。*散热器的设计方法散热器设计的步骤通常散热器的设计分为三步:根据相关约束条件设计处轮廓图。:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。:进行校核计算。*散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚如果齿间距太小两个齿的热边界层易交叉影响齿表面的对流所以一般情况下建议自然冷却的散热器齿间距大于mm如果散热器齿高低于mm可按齿间距ge倍齿高来确定散热器的齿间距。自然冷却散热器表面的换热能力较弱在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响所以建议散热齿表面不加波纹齿。自然对流的散热器表面一般采用发黑处理以增大散热表面的辐射系数强化辐射换热。由于自然对流达到热平衡的时间较长所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够以抗击瞬时热负荷的冲击建议大于mm以上。*散热器的设计方法强迫冷却散热器的设计方法在散热器表面加波纹齿波纹齿的深度一般应小于mm。增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到的高宽比国内目前高宽比最大只能达到。对能够提供足够的集中风冷的场合建议采用低温真空钎焊成型的冷板其齿间距最小可到mm。采用针状齿的设计方式增加流体的扰动提高散热齿间的对流换热系数。当风速大于ms(CFM)时可完全忽略浮升力对表面换热的影响。*散热器的设计方法在一定冷却条件下所需散热器的体积热阻大小的选取方法*散热器的设计方法在一定的冷却体积及流向长度下确定散热器齿片最佳间距的大小的方法*散热器的设计方法不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较*散热器的设计方法散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的定义*散热器的设计方法散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的应用*散热器的设计方法散热器的基板的优化方法*散热器的设计方法不同风速下散热器齿间距选择方法*散热器的设计方法不同风速下散热器齿间距选择方法*散热器的设计方法优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式*散热器的设计方法辐射换热的考虑原则如果物体表面的温度低于℃可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波长相当长处于不可见的红外区。而在红外区一个良好的发射体也是一个良好的吸收体发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。对于强迫风冷由于散热表面的平均温度较低一般可忽略辐射换热的贡献。如果物体表面的温度低于℃可不考虑辐射换热的影响。辐射换热面积计算时如表面积不规则应采用投影面积。即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积如图所示。辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。*热设计的计算方法冷却方式的选择方法确定冷却方法的原则在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却只有在自然冷却无法满足散热要求时才考虑其它冷却。冷却方式的选择方法:根据温升在℃条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式具有一定的局限性如图所示。*热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法:根据热流密度与温升要求按图所示关系曲线选择此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却*热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法案例某电子设备的功耗为W机壳的几何尺寸为timestimesmm在正常大气压下若设备的允许温升为℃试问采用那种冷却方法比较合理?计算热流密度:q=(timestimestimes)=Wcm根据图查得当△t=℃q=Wcm时其交点正好落在自然冷却范围内所有采用自然冷却方法就可以满足要求。若设备的温升有严格限制假设只允许℃由图可以看出需强迫风冷才能满足要求。*热设计的计算方法机箱的热设计计算密封机箱WT=(SsStSb)DeltatsigmaepsilonTmDeltaT对通风机箱WT=(SsStSb)DeltatsigmaepsilonTmDeltaTuADeltaT对强迫通风机箱WT=(SsStSb)DeltatsigmaepsilonTmDeltaTQfDeltaT*热设计的计算方法机箱的热设计计算案例有一电子设备其总功耗为W其外形尺寸长、宽、高分别为mm、mm和mm外壳外表面的黑度为epsilon=外表面的温度为℃周围环境温度为℃设备内部的空气允许温度为℃设备的四个侧面及顶面参与散热试进行自然冷却设计计算。解:密封机箱的最大散热量QT=(SsStSb)DeltatsigmaepsilonTmF辐射Deltat=(timestimestimes)timestimestimestimestimes(timestimes)timestimes==WQ=W显然密封机箱不能够满足散热要求需开通风口。通风机箱的通风面积计算QT=(SsStSb)DeltatsigmaepsilonTmF辐射DeltatuSinDeltat=(timestimestimes)timestimestimestimestimestimes(timestimes)timestimes+timestimesSintimesSin=cmSout=()Sin=cm*热设计的计算方法自然冷却时进风口面积的计算在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗以增加空气对流进风口的面积大小按下式计算:Sin=Q(timesHtimesDeltat)s通风口面积的大小cmQ机柜内总的散热量WH机柜的高度cm约模块高度的倍Deltat=tt-内部空气t与外部空气温度t之差℃出风口面积为进风口面积的倍*夹心材料成本较高公司尚未采用*热设计的计算方法强迫风冷出风口面积的计算模块有风扇端的通风面积:Sfan=(phiin-phihub)无风扇端的通风面积S=()Sfan系统在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口通风口的面积大小应为:S=()(NtimesS模块)N每层模块的总数S模块每一个模块的进风面积*大功率元件可加散热器整机可用风扇等措施*热设计的计算方法通风面积计算的案例案例铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却每层模块的散热量为W模块的高度为U进出口温差按℃计算机柜实际宽度为mm试计算每层进出风口的面积?H按倍模块的高度计算即H=timesU=U进风口的面积按下式计算:Sin=Q(timestimesHtimes△t)=(timestimestimestimes)=cm进风口高度h机柜的宽度按B=mm计则进风口的高度为:H=SinB==mmb出风口面积SoutSout=()Sin=times=cm*利用弹性材料和焊点作缓冲减小CTE失配带来的影响mdashmdash选用有引脚器件*热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法q`=Q(△T)q`实际所需的风量MhQ散热量W△T空气的温升℃一般为-℃。确定风扇的型号经验公式:按照倍的裕量选择风扇的最大风量:q=()q`按最大风量选择风扇型号。*热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法案例:KUPS主功率管部分的实际总损耗为W空气温升按℃考虑请选择合适的风扇。实际所须风量为:q`=Q(△t)=(times)=mh按照倍的裕量选择风扇的最大风量:q=q`=times=mh下表风扇为可选型号*热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的热阻散热器的热阻是从大的方面包括三个部分。RSA=R对R导R辐   R对=(hcF)F对流换热面积(m),hcndash对流换热系数(wmk)R辐辐射换热热阻对强迫风冷可忽略不计对自然冷却R辐=(бepsilonTm)R导=R基板+R肋导=delta(lambdaF)((eta))R对流lambda导热系数wmh℃delta散热器基板厚度(m)eta肋效率系数F基板的导热面积(m)       F=*(ddelta)d发热器件的当量直径(m)*热设计的计算方法型材散热器的计算对流换热系数的计算自然对流垂直表面hcs=(△tL)wmk式中:△t散热表面与环境温度的平均温升℃L散热表面的特征尺寸取散热表面的高m水平表面热表面朝上hct=(△tL)wmk式中:△t散热表面与环境温度的平均温升℃L散热表面的特征尺寸取L=(长times宽)(长+宽)m水平表面热表面朝下hcb=(△tL)wmk式中:△t散热表面与环境温度的平均温升℃L散热表面的特征尺寸取L=(长times宽)(长+宽)m*热设计的计算方法型材散热器的计算对流换热系数的计算强迫对流层流Refhc=()lambda空气RefL湍流Refhc=()lambda空气RefL肋片效率对直齿肋:eta=th(mb)(mb))m=(hclambdadelta)delta:肋片根部厚度(m)      b肋高(m)    *热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的流阻计算散热器的流阻包括沿程阻力损失及局部阻力损失△P=hfhj=lambdafmiddotLdemiddotrhoVzetarhoVlambdaf沿程阻力系数L流向长度(m)de当量水利直径(m)de=A流通湿周长V断面流速(ms)沿程阻力系数计算lambdaf层流区:Re=Vdupsilonlelambdaf=Re紊统光滑区Relambdaf=Reupsilon运动粘度系数(ms)从文献中查找*热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的流阻计算局面阻力系数zeta突然扩大按小面积流速计算的局部阻力系数:zeta=(AA)按大面积流速计算的局部阻力系数:zeta=(AA)突然缩小可从相关的资料中查阅经验值。*热设计的计算方法型材散热器的计算【案例】散热器DXC(天津铝合金厂编号)截面图略散热器的截面积为cm周长为m单位长度的重量为KGm。风扇采用PAPSTZ风扇功率W最大风量为mh压头为Pa风道阻力曲线的计算入口面积:Fin=timesD=times=m流通面积:Ff=FinFc==timesm水力直径:de=Ffx=timestimes=timesm由于风速较低一般最大不会超过ms雷诺数沿程阻力系数按下式计算:lambda=Re=nuVde沿程阻力按下式计算:hf=lambda(Lde)(rhoV)=(nuVde)(Lde)(rhoV)=(timestimestimes(Vtimes))(rhoV)=(V)(rhoV)局部阻力按下式计算:hj=xirhoV对于突然缩小AA==查表得xi=总阻力损失H=hfhj=(V)(rhoV)*热设计的计算方法型材散热器的计算【案例】续确定风扇的工作点KVAUPS的选择风扇为PAPSTZ我们把风道曲线与风扇的曲线进行叠加其交点即为风扇的工作点给工作点对应的风速为ms压力为Pa散热器的校核计算雷诺数Ref=VtimesLnu=timestimes=times努谢尔特数:Nuf=Ref=(times)=对流换热系数:hc=lambdaNufL=wmkm=(hclambdadelta)=ml=times=查得:eta=该散热器的最大散热量为(散热器台面温升按最大℃考虑):Q=hcF△teta=W计算结果表面散热器及风扇选型是合理的。*热设计的计算方法冷板的计算方法传热计算确定空气流过冷板后的温升:t=QqmCp确定定性温度tf=(tstt)冷板台面温度ts为假定值设定冷板的宽度为b则通道的横截面积为AcAc=btimesAc确定定性温度下的物性参数(mu、Cp、rho、Pr)。流体的质量流速和雷诺数G=qmAfRe=deGmu根据雷诺数确定流体的状态(层流或紊流)Re,层流Re,湍流根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数JRe,层流J=ReRe,湍流J=Re也可以根据齿形及雷诺数从GJBZ图-查得*热设计的计算方法冷板的计算方法传热计算计算冷板的换热系数:h=JGCpPr计算肋片的效率m=(hlambdadelta)etaf=th(ml)ml(也可以根据ml值查相应的图表得到肋片效率)计算冷板的总效率:忽略盖板及底版的效率总效率为:A=AtAr+Abeta=-Ar(etaf)A计算传热单元数NTU=hetaAqmCp计算冷板散热器的台面温度ts=(eNTUtt)(eNTU)*热设计的计算方法冷板的计算方法流体流动阻力计算计算流通面积与冷板横截面积之比sigma=AfAc查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,sigma):根据雷诺数Re及sigma从GJBZ图-及图-查得查摩擦系数f=f(Re,sigma):根据雷诺数Re从GJBZ图-查得计算流动阻力△P=G(Kcsigma)(rhorho)frhoA(Afrhom)(sigmaKe)rhorho(rho)*热设计的计算方法冷板的计算方法判断准则确定是否满足tsts如果不满足需增大换热面积或增大空气流量。确定是否满足△P△P如果不满足需减小冷板的阻力(如选择阻力较小的齿形、增大齿解决等)或重新选择压头较大的风扇*热设计的计算方法冷板的计算方法案例:KVAUPS冷板散热器器件的损耗为W要求冷板散热器台面温升小于℃(在℃的环境温度下)。冷板散热器的截面图略梯形小通道面积:Ai=()times=mm每排有个梯形小通道共排n=times=个基板厚度为:mm总的流通面积Af=timestimes=m冷板的横截面积Ac=timestimes=m水力半径:de=Afiх=times(times)=mm*热设计的计算方法冷板的计算方法【案例】续确定风扇的工作点Re=deGmu=deqmmuAf在℃空气的物性参数为:mu=timeskgms,rho1=kgmRe=(timestimestimesqm(timestimestimes)=qm(qm的单位为:CFM)sigma=AfAc==*热设计的计算方法冷板的计算方法【案例】续先忽略空气密度的变化,不同流量的流阻计算如下表所示:我们把两个NMB的风扇流量相加静压不变得出两个风扇并联后的静压曲线再把上表的数据绘制成风道曲线并与风扇静压曲线进行画在同一张图上其交点即为风扇的工作点即为(CFMinHO)工作点对应的风速为ms。*热设计的计算方法冷板的计算方法【案例】续空气流过冷板后的温升空气口温度为℃rho1=kgmCp=Jkg℃mu=timeskgmsPr=质量流量qm=times=kgs△t=QqmCp=times=℃定性温度:tf=(tstt)=(times)=℃按定性温度查物性得:rho1=kgmCp=Jkg℃mu=timeskgmsPr=换热系数质量流速G=qmAf=times=kgms雷诺数Re=deGmu=timestimes(times)=层流J=Re==timesh=JGCpPr=timestimestimestimes=Wm℃肋片效率m=(hlambdadelta)=(times(times))=ml=times=etaf=th(ml)ml=th()=传热单元数:NTU=hetaAqmCp=timestimes=冷板的表面温度:Ts=(eNTUtt)(eNTU)=℃℃冷板设计方案满足散热要求。*风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇定律*风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇的噪音问题风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系对于轴流风扇在大风量低风压的区域噪音最小对于离心风机在高风压低风量的区域噪音最小这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍所以一般应保证风扇进风口离阻挡物至少mm的距离以免产生额外的噪音。对于风扇冷却的机柜在标准机房内噪音不得超过dB在普通民房内不得超过dB。*风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇的噪音问题对于不得不采用大风量高风压风扇从而产生较大噪音的情况可以在机柜的进风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材料吸音效果较好的材料主要是多孔介质如玻璃棉厚度越厚越好。 有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机在保证设计风量的条件下可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速从而降低风扇的噪音。相应的噪音降低变化按下式计算:N=Nlog(RPMRPM)*风扇的基本定律及噪音的评估方法风扇的噪音问题【案例】:一电源模块采用一个轴流风扇进行冷却为了有效抑止噪音要求风扇只有在监控点的温度高于℃才全速运转其余情况风扇必须半速运转。已知风扇全速运转时转速为RMP噪音为db求在半速运转时风扇的噪音为多少?如果已知全速运转时风扇的工作点为(CFM,INHO)试求风扇在半速运转时的工作点。解:根据风扇定律N=Nlog(RPMRPM)=+log()=dbP=P(RPMRPM)=()=INHOCFM=CFM(RPMRPM)=()=CFM*海拔高度对热设计的影响及解决对策海拔高度对自然冷却条件的热设计要求对于自然对流其传热机理是由于冷却空气吸热后其密度减小迫使重力场中的空气上升而形成冷热空气的对流而产生热量传递。由于随着海拔高度的增加空气的密度逐渐减小空气上升的能力也就减少自然对流换热的能力减弱。自然对流换热能力的变化最终体现在对流换热系数的变化上根据美国斯坦伯格的经验公式如果忽略空气温度的变化可按下式计算海拔高度对自然对流的影响强弱。hc(高空)=hc(海平面)(rho高空rho海平面)=hc(海平面)(p高空p海平面)hc(高空)hc(海平面)-分别为高空及海平面的自然对流换热系数Wmkrho高空rho海平面-分别为高空及海平面的空气密度Kgmp高空p海平面-分别为高空及海平面的空气压力帕斯卡*海拔高度对热设计的影响及解决对策海拔高度对强迫冷却条件的热设计要求海拔高度对强迫风冷影响的机理是由于随着海拔高度的增加空气密度减小质量流速减小空气分子间碰撞的概率降低对流换热能力减弱。同样强迫对流换热随海拔高度的变化最终体现在对流换热系数的变化上美国军用标准规定低于米以下的高空如果忽略空气温度的变化可按下式计算海拔高度对强迫风冷换热影响的强弱。层流:hc(高空)=hc(海平面)(rho高空rho海平面)湍流:hc(高空)=hc(海平面)(rho高空rho海平面)hc(高空)hc(海平面)-分别为高空及海平面的强迫风冷对流换热系数Wmkp高空p海平面-分别为高空及海平面的空气压力帕斯卡*海拔高度对热设计的影响及解决对策自然对流时的解决对策预先计算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小通过增加相应的对流换热面积来弥补高空换热能力的减弱按下式计算:F对流(高空)=F对流(海平面)(rho高空rho海平面)*海拔高度对热设计的影响及解决对策强迫对流时的解决对策增大面积法预先计算出海拔高度对自然对流换热系数的影响大小通过增加相应的对流换热面积来弥补高空换热能力的减弱按下式计算:F对流(高空)=F对流(海平面)(rho高空rho海平面)提高风扇的转速RPMRPM=rho海平面rho高空*元器件工作结温的计算元器件的工作结温计算如果已知道散热器台面温度Ts,则器件的工作结温为:Tj=TsPTtimesRth(js)Rth(js)=RjcRcsRbRth(js)-器件结到散热器的热阻℃W。Rjc-器件结壳热阻℃W从器件使用手册中查得Rcs壳到散热器的热阻即接触热阻,℃W可根据从器件使用手册中查得的值乘以适当的系数得到。Rb绝缘垫片的热阻℃W可绝缘垫片的数据资料中查得无绝缘垫片时该项热阻为零。如果已知散热器的热阻环境温度则器件的工作结温为:Tj=TaPTtimesRth(ja)Rth(ja)=RsaRjcRcsRbRth(ja)-器件结到环境的热阻℃W。Rsa-散热器热阻℃W*元器件工作结温的计算元器件的工作结温计算案例A模块中输出二极管处散热器的台面温度为℃二极管的最大结温为℃结壳热阻为℃W接触热阻为℃W绝缘垫片的热阻为℃W计算二极管的工作结温。Rjs=RjcRcs+Rb==℃wTj=TsPdtimesRjs=times=℃案例如把案例中的二极管在一散热器中央散热器的热阻为℃w环境温度为℃。Rjs=RsaRjcRcs+Rb==℃wTj=TaPTtimesRth(ja)=+times=℃*热仿真技术为什么要进行热仿真分析?提高产品的性能及可靠性。更快地将产品投放市场。降低设计、生产和重复设计、生产的费用。减少试验和测量的次数。**热仿真技术仿真分析技术及软件介绍电子设备热设计软件是基于计算传热学技术(NTS)和计算流体力学技术(CFD)发展电子设备散热设计辅助分析软件它可以帮助热设计工程师验证、优化热设计方案满足产品快速开发的需要并可以显著降低产品验证热测试的工作量。目前商业的热设计软件种类繁多有基于有限体积法的Flotherm、Ideas、Icepack、Tas-Harvardthermal、Coolit、Betasoft及基于有限元的Ansys等其中Flotherm、Ideas、Icepack占据大部分的市场份额。*热仿真技术仿真分析技术软件在产品开发的作用对产品的温度场作出预测使我们在进行产品设计开发时关注热点区域。进行各种设计方案的优劣分析得出最佳的设计方案。对产品的风路进行优化最大限度的提高散热效率。任何先进的仿真软件已永远无法代替人软件只是热设计人员所利用的工具之一。所以仿真软件结果的可靠性决定于热设计人员的经验及理论水平。*热仿真技术ANSYS软件介绍Ansys软件是由美国Ansys公司推出的多物理场有限元仿真分析软件涉及结构、热、计算流体力学、声、电磁等学科能够有效地进行各种场的线性和非线性计算及多种物理场相互影响的耦合分析。Structure是该软件面向结构分析研究的专用模块。Flortran是该软件面向流场分析研究的专用模块。Thermal是其中面向热设计研究的专用模块。*热仿真技术Flothermal热分析软件介绍Flotherm是英国的FLOMERICS公司开发的电子设备热设计软件其最显著的特点是针对电子设备的组成结构提供的热设计组件模型根据这些组件模型可以快速的建立机柜、插框、单板、芯片、风扇、散热器等电子设备的各组成部分。Flotherm软件基本上可以分为前处理、求解器和后处理三个部分。前处理包括ProjectManager、DrawingBoard和Flogate。ProjectManager用于项目管理、物性参数、网格参数、计算参数的设定等DrawingBoard提供了一个可视化的建立机柜、插框、单板、芯片几何模型的界面和计算网格划分工具。通过在ProjectManager和DrawingBoard中的互动操作就可以完成具体的建模工作。Flogate是一个数据接口模块它可以把单板的装配图文件(IDF格式)导入Flotherm直接完成单板的建模设计。求解器是Flosolve模块它可以完成模型的瞬态和稳态温度场和流场计算。后处理部分包括Visulation、Flomotion和TableVisulation完成仿真计算结果的可视化显示Flomotion除了也可以实现可视化显示外还可以制作流场的动画显示热分析模型的大量计算数据如某区域的平均温度、空气流量等可以通过Table模块查询。*热仿真技术ICEPAK热分析软件介绍ICEPAK是全球CFD的领导者FLUENT公司通过集成ICEMCFD公司的网格划分及后处理技术而开发成功的针对电子设备冷却分析的专用热设计软件。具有如下优点:建模能力:除了有矩形圆形模型外还有多种复杂形状模型如椭球体、多面体、管道、斜板等模型有thinconduction薄板模型。网格技术:有结构化非结构化网格有四面体网格有四面体、六面体混合网格能够对复杂模型快速生成高质量网格支持结构化与非结构化的nonconformal网格。求解器:Fluent求解器能够求解多种流体介质问题能够求解结构化非结构化网格问题支持网络并行。*热仿真技术传统的热设计方法与仿真分析方法的比较在操作流程上面的差异传统的热设计方法利用设计者的经验确定出设计方案然后利用经验公式进行估算在通过试验进行验证并根据试验结果进行优化。仿真分析软件可以同时对多种设计方案的优劣进行分析比较并能够确定出最佳的设计方案。如果软件使用者具有足够的热设计经验则完全可以省略试验验证的环节。从而达到缩短设计周期的目的。优缺点比较对设计者经验的依赖度设计周期热设计一次成功率热设计方案的优化程度效率传统热设计方法完全短低低裕量大低仿真分析方法强长高高裕量适中高*热设计的发展趋势电源模块的热设计发展趋势一次电源模块的热设计发展趋势随着电源模块功率密度的升高热设计已逐渐成为瓶颈问题。传统的集中散热的方式(所有的功率管全部集中在一个散热器上)无法满足模块体积逐步减小的要求。分散式散热成为解决这一难题的主要技术。二次电源模块热设计的发展趋势二次电源模块正朝着高效率、超轻、超薄、高功率密度的方向发展。以OPENFRAME结构为代表的新一代模块如图所示通过电路技术上的改进提高了模块的工作效率降低了模块的热损耗同时功率器件及PCB耐温等级的提高使得模块可以省掉金属或陶瓷底板进而省掉了笨重的散热器有效的节省了系统的可见同时提高了模块抗震动的能力。*热设计的发展趋势大功率UPS及变频器热设计的发展趋势大功率UPS及变频器由于其热损耗较大往往需要较大的散热器。如何有效的提高散热器的传热效率成为引导该类产品热设计发展的原动力。由于传统的型材散热器传热效率最低而以铲齿散热器针装散热器钎焊插片成型散热器为代表的新的散热器成型方式将逐步取代传统笨重的型材散热器。目前铲齿散热器钎焊插片成型散热器已在我司获得广泛的应用。热管技术由于其传热温差小传热效率高已在电子设备上逐步获得应用。应用热管技术可以有效减小散热器的体积减小传导热阻。但由于热管制造工艺复杂可靠性较低价格高在我司未获得应用。*热设计的发展趋势分散式散热技术基本理念*热设计的发展趋势分散式散热技术优势可以自由根据各部分的损耗大小来设计散热器从而保证散热器的最佳化。散热器可以自由置于最有利的通风位置从而提高散热器的散热效率。可以最大限度的发挥风扇的作用提高了风扇的利用率。由于散热器分散部分区域的功率管可以省掉导热绝缘膜。产品的功率密度可以达到很高。劣势由于各部分散热器已达到最佳化散热器抗热冲击能力会减弱应引起特别关注。*热设计的发展趋势热管技术什么叫热管?热管是一种具有高效导热性能的传热器件。它能够在热源与散热片间以较小的温差实现热传递也可以在散热器基板表面实现等温以提高散热器的效率。热管的发展史?年前:简单的二相热虹吸管JPerkins及他的孙子LPPerkins发明并改进了ldquoPerkinstuberdquo即热虹吸管mdashmdash简单的重力热管。~年:发明热管并成功应用于航天事业~年RSGaugler提出了现代热管的原理但未实际应用年GMGrover再次提出了这一原理并以热管命名六十年代成功应用于空间飞行和原子反应堆七十年代至今:热管在地面上各领域的应用蓬勃发展*热设计的发展趋势热管的基本结构热管通过工作流体的蒸发与冷凝来实现热量传递。热管内部为真空一般都有吸液芯。加热端的液体在受热后即汽化形成一个压力梯度迫使蒸气沿着管道流向冷凝端蒸气在冷凝端释放汽化潜热而冷凝冷凝液体在吸液芯的毛细作用下或在重力的作用下回到加热端形成循环。*热设计的发展趋势内部结构热管的基本结构*热设计的发展趋势主要型式:金属丝网金属粉末烧结轴向槽道热管的基本结构-毛细吸液芯*与热管外壳及毛细吸液芯材料的相容性热稳定性与管壁及吸液芯间的润湿性在工作温度范围下的蒸气压力不要太高或太低汽化潜热高导热性能高蒸气及液体的粘性低表面张力高允许的冰点及倾点温度即品质因数要大热设计的发展趋势热管的基本结构-工作流体性能要求*热设计的发展趋势热管的基本结构-常用介质介质凝固点(℃)正常沸点(℃)工作范围(℃)氨R甲醇~~~水~导热姆~钠~锂~*热设计的发展趋势籍助于工质的相变潜热传输热量二大优点:高的传热效率(潜热显热)低的传热温差(理论上DeltaTrarr)热管工作原理之一*热设计的发展趋势热管技术热管的工作原理之二*热设计的发展趋势冷凝液籍助重力回流优点:结构简单工作可靠注意:必须工作在重力场加热段必须位于放热段下。热管技术热管的工作原理之三-重力热管工作原理*热设计的发展趋势按不同的冷凝液体回收方式可分为:热管技术热管的形式冷凝液回收方式热管形式重力重力热管毛细力标准热管离心力回转热管*热设计的发展趋势按热管的结构形状可分为:单管型热管平板型热管分离型(回路)热管热管技术热管的形式分离型热管平板型热管*热设计的发展趋势由于热管的特有结构使它具有许多独特的性质它的应用正是以这些特性为基础。(一)良好的导热性:导热方式:热管mdashmdash工质相变铜、银mdashmdash显热,自由电子,分子热运动导热系数:倍热管技术热管的特性*热设计的发展趋势热管的特性对实心铜棒:℃式中:Amdashmdash铜棒的横截面积对于铜热管:如为℃则热管的式中:Amdashmdash热管的当量横截面积且这一比值随ddarrluarr而增大。*热设计的发展趋势热管的特性-理想的等温性热管正常工作时内部处于汽液两相的平衡状态mdashmdashClausiusClapeyronEqmdashmdash热管内蒸气由蒸发段流向冷凝段的压差mdashmdash蒸发段与冷凝段间温差因很小所以也很小但()随Q的增加而增加可用于对等温要求很高的黑体炉、等温炉等*热设计的发展趋势热量:即热流密度:所以热管的特性-热流密度可调性*热设计的发展趋势热管的特性-传热方向的可逆性*热源:热流体的对流热固体的辐射热固体的导热单向传热:热二极管美国阿拉斯加输油管道的永久冻土层热管保护系统支热管长度最长可达m。温度控制:可控热导热管。热设计的发展趋势热管的特性-对外界要求的适应性*热设计的发展趋势热管的特性-热管的传热极限粘性极限声速极限携带极限毛细极限沸腾极限*热设计的发展趋势R:热源与蒸发段外壁面间的(对流)换热热阻R:蒸发段管壁的径向导热热阻。R:蒸发段吸液芯的(径向)导热热阻R:蒸发段内表面的蒸发换热热阻R:蒸汽的轴向流动热阻R:冷凝段内表面的冷凝换热热阻R:冷凝段吸液芯的(径向)导热热阻R:冷凝段管壁的(径向)导热热阻R:冷源与冷凝段外壁面的(对流)换热热阻R:管壁与吸液芯的轴向导热热阻热管传热的热阻模型*热设计的发展趋势热管技术热管的应用(一)空间飞行器温度控制:卫星航天飞行器宇宙服高传热量小温差的传热*热设计的发展趋势热管技术热管的应用(二)核反应堆核反应堆堆芯的热控制。*热设计的发展趋势热管技术热管的应用余热回收系统特点:传热温差小传递热量大。*热设计的发展趋势热管技术热管的应用余热

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