热设计-电子科技大学null产品的热设计方法产品的热设计方法 介绍 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95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC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。 ...
105 hc=(1.1-1.4) λ空气 0.032Ref 0.8/L 肋片效率 对直齿肋: η=th(mb)/(mb)) m=(2 hc/λδ0) δ0:肋片根部厚度(m) b. 肋高(m) 热设计的计算方法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=hf+hj =λf·L/de·ρV22/2+ζρV22/2 λf --沿程阻力系数 L--流向长度(m) de--当量水利直径(m),de=4A流通/湿周长 V--断面流速(m/s) 沿程阻力系数计算λf 层流区:Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re 紊统光滑区 4000105, 湍流 根据流体的状态(层流或紊流)计算考尔本数J Re<1800,层流 J=6/Re 0.98 Re>105,湍流 J=0.023/Re 0.2 也可以根据齿形及雷诺数从GJB/Z 27-92 图12-18查得热设计的计算方法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= JGCpPr2/3 计算肋片的效率 m=(2h/λδ)0.5,ηf=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=At+Ar+Ab, η0=1-Ar(1-ηf)/A 计算传热单元数 NTU=hη0A/qmCp 计算冷板散热器的台面温度 ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1) 热设计的计算方法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 σ=Af/Ac 查空气进入冷板时入口的损失系数Kc=f(Re,σ): 根据雷诺数Re及σ从GJB/Z 27-92 图12-16及图12-16查得 查摩擦系数f=f(Re,σ): 根据雷诺数Re从GJB/Z 27-92 图12-18查得 计算流动阻力 △P=G2[(Kc+1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1) 热设计的计算方法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ts<[ts],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热设计的计算方法冷板的计算方法 案例:10KVA UPS 冷板散热器,器件的损耗为870.5W,要求冷板散热器台面温升小于30℃(在40℃的环境温度下)。 冷板散热器的截面图略 梯形小通道面积:Ai=(3.8+2.6)×9.5/2=30.4mm2 每排有29个梯形小通道,共22排,n=29×22=638个 基板厚度为:9mm 总的流通面积 Af =30.4×29×22=0.0193952 m2 冷板的横截面积 Ac=120×120×2=0.0288 m2 水力半径:de=4Afi/х=4×30.4/(2×9.5+3.8+2.6)=4.787mm热设计的计算方法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=de G/μ=deqm/μAf 在40℃空气的物性参数为: 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的单位为:CFM) σ=Af/Ac=0.0193952/0.0288=0.673热设计的计算方法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NMB4715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(170CFM,0.13in.H2O),工作点对应的风速为4.14m/s。 热设计的计算方法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40 ℃,ρ1=1.12kg/m3,Cp=1005.7J/kg. ℃ μ=19.1×10-6kg/m.s, Pr=0.699 质量流量 qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s △t= Q/qmCp=870.5/0.08986×1005.7=9.63 ℃ 定性温度: tf=(2ts+t1+t2)= (2×80+40+49.63)/4=62.4 ℃ 按定性温度查物性得: ρ1=1.06kg/m3,Cp=1005.7J/kg.℃ μ=20.1×10-6kg/m.s,Pr=0.696 换热系数 质量流速 G=qm/Af =4.14×1.12=4.64kg/m2.s 雷诺数 Re=deG/μ=4.787×10-3×4.64/(20.1×10-6)=1105.1 层流 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 传热单元数:NTU=hη0A/qmCp=37.14×0.433×3.241 =0.5772 冷板的表面温度: Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃<70℃ 冷板 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 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30mm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55dB, 在普通民房内不得超过65dB。风扇的基本定律及噪音的评估方法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: N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1) 风扇的基本定律及噪音的评估方法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85℃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2000RMP,噪音为40db,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(50CFM,0.3IN.H2O),试求风扇在半速运转时的工作点。 解:根据风扇定律 N2 = N1 + 50 log10 (RPM2/RPM1) =40+50 log10 (1000/2000) =24.9db P2 =P1 (RPM2/RPM1)2 =0.3(1000/2000)2=0.075 IN.H2O CFM2 = CFM1 (RPM2/RPM1) =50(1000/2000)=25CFM 海拔高度对热设计的影响及解决对策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)(ρ高空/ρ海平面)0.5 =hc(海平面) (p高空/p海平面)0.5 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,W/m.k ρ高空,ρ海平面-分别为高空及海平面的空气密度,Kg/m3 p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5000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)(ρ高空/ρ海平面)0.5 湍流: hc(高空)=hc(海平面)(ρ高空/ ρ海平面)0.8 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,W/m.k p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)/(ρ高空/ρ海平面)0.5 海拔高度对热设计的影响及解决对策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)/(ρ高空/ρ海平面)0.5 提高风扇的转速 RPM2/RPM1= ρ海平面/ρ高空 元器件工作结温的计算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=Ts+ PT×Rth(j-s) Rth(j-s) =Rjc+Rcs+Rb Rth(j-s)-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=Ta+ PT×Rth(j-a) Rth(j-a) =Rsa+Rjc+Rcs+Rb Rth(j-a)-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工作结温的计算元器件的工作结温计算 [案例1]30A模块中,输出二极管处散热器的台面温度为94.6 ℃,二极管的最大结温为175 ℃,结壳热阻为0.45 ℃/W,接触热阻为0.15 ℃/W,绝缘垫片的热阻为0.3 ℃/W,计算二极管的工作结温。 Rjs= Rjc+ Rcs+Rb=0.45+0.15+0.3=0.9℃/w Tj= Ts+Pd×Rjs=94.6+44.2×0.9=134.4 ℃ [案例2] 如把[案例1]中的二极管在一散热器中央,散热器的热阻为0.8 ℃/w,环境温度为40 ℃。 Rjs= Rsa+Rjc+ Rcs+Rb=0.8+0.45+0.15+0.3=1.7℃/w Tj=Ta+ PT×Rth(j-a).=40+44.2×1.7=115.2 ℃ 热仿真技术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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,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、I-deas、Ice-pack、Tas-Harvard thermal、Cool it、Betasoft,及基于有限元的Ansys等,其中Flotherm、I-deas、Ice-pack占据大部分的市场份额。 热仿真技术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Project Manager、Drawing Board和Flogate。Project Manager用于项目管理、物性参数、网格参数、计算参数的设定等;Drawing Board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Project Manager和Drawing Board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Table,Visulation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。null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ICEM CFD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thin-conduction 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non-conformal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