產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)方法有圖

1、2024/3/13,1,產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)方法,,2,介紹,為什么要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)？高溫對電子產(chǎn)品的影響：絕緣性能退化；元器件損壞；材料的熱老化；低熔點(diǎn)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落。溫度對元器件的影響：一般而言，溫度升高電阻阻值降低；高溫會降低電容器的使用壽命；高溫會使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降， 一般變壓器、扼流圈的允許溫度要低于95C；溫度過高還會造成焊點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)的變化—IMC增厚，焊點(diǎn)變脆，機(jī)械強(qiáng)度降低；結(jié)溫的升高會使晶體管的電流放大倍

2、數(shù)迅速增加，導(dǎo)致集電極電流增加，又使結(jié)溫進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致元件失效。,3,介紹,熱設(shè)計(jì)的目的 控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環(huán)境條件下不超過標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范所規(guī)定的最高溫度。最高允許溫度的計(jì)算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ),并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個(gè)元器件的失效率相一致。在本次講座中將學(xué)到那些內(nèi)容 風(fēng)路的布局方法、產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法、風(fēng)扇的基本定律及噪音的評

3、估方法、海拔高度對熱設(shè)計(jì)的影響及解決對策、熱仿真技術(shù)、熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。,4,概述,風(fēng)路的設(shè)計(jì)方法 ：通過典型應(yīng)用案例，讓學(xué)員掌握風(fēng)路布局的原則及方法。 產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)計(jì)算方法 ：通過實(shí)例分析，了解散熱器的校核計(jì)算方法、風(fēng)量的計(jì)算方法、通風(fēng)口的大小的計(jì)算方法。風(fēng)扇的基本定律及噪音的評估方法：了解風(fēng)扇的基本定律及應(yīng)用；了解噪音的評估方法。海拔高度對熱設(shè)計(jì)的影響及解決對策：了解海拔高度對風(fēng)扇性能的影響、海拔高度對散熱器及元器件的影響，了

4、解在熱設(shè)計(jì)如何考慮海拔高度對熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度的影響。熱仿真技術(shù)：了解熱仿真的目的、要求，常用熱仿真軟件介紹。熱設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢：了解最新散熱技術(shù)、了解新材料。,5,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)機(jī)柜的后門(面板)不須開通風(fēng)口。底部或側(cè)面不能漏風(fēng)。 應(yīng)保證模塊后端與機(jī)柜后面門之間有足夠的空間。 機(jī)柜上部的監(jiān)控及配電不能阻塞風(fēng)道，應(yīng)保證上下具有大致相等的空間。 對散熱器采用直齒的結(jié)構(gòu),模塊放在機(jī)柜機(jī)架上后,應(yīng)保證散熱器垂

5、直放置,即齒槽應(yīng)垂直于水平面。對散熱器采用斜齒的結(jié)構(gòu),除每個(gè)模塊機(jī)箱前面板應(yīng)開通風(fēng)口外,在機(jī)柜的前面板也應(yīng)開通風(fēng)口。,6,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)案例,7,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,自然冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)典型的自然冷機(jī)柜風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式,8,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如果發(fā)熱分布均勻， 元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個(gè)發(fā)熱源.如果發(fā)熱分布不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應(yīng)稀疏排列，而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件布局應(yīng)稍密些

6、，或加導(dǎo)流條，以使風(fēng)能有效的流到關(guān)鍵發(fā)熱器件。如果風(fēng)扇同時(shí)冷卻散熱器及模塊內(nèi)部的其它發(fā)熱器件，應(yīng)在模塊內(nèi)部采用阻流方法，使大部分的風(fēng)量流入散熱器。 進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：一方面盡量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。 風(fēng)道的設(shè)計(jì)原則 風(fēng)道盡可能短，縮短管道長度可以降低風(fēng)道阻力； 盡可能采用直的錐形風(fēng)道，直管加工容易，局部阻力小； 風(fēng)道的截面尺寸和出口形狀，風(fēng)道的

7、截面尺寸最好和風(fēng)扇的出口一致，以避免因變換截面而增加阻力損失，截面形狀可為園形，也可以是正方形或長方形；,9,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)典型結(jié)構(gòu),10,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-吹風(fēng)方式,11,風(fēng)路設(shè)計(jì)方法,強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)路設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)典型的風(fēng)道結(jié)構(gòu)-抽風(fēng)方式,12,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,自然對流換熱大空間的自然對流換熱 Nu=C(Gr.Pr)n.

8、 定性溫度： tm=(tf+tw)/2 定型尺寸按及指數(shù)按下表選取,13,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,自然對流換熱 有限空間的自然對流換熱 垂直封閉夾層的自然對流換熱問題分為三種情況： (1) 在夾層內(nèi)冷熱壁的兩股流道邊界層能夠相互結(jié)合，形成環(huán)流； (2) 夾層厚度δ與高度之比δ/h>0.3時(shí)，冷熱的自然對流邊界層不會相互干擾，也不會出現(xiàn)環(huán)流，可按大空間自然對流

9、換熱計(jì)算方法分別計(jì)算冷熱的自然對流換熱； (3) 冷熱壁溫差及厚度均較小，以厚度為定型尺寸的Gr=(Bg△t δ3)/υ3<2000時(shí)，通過夾層的熱量可按純導(dǎo)熱過程計(jì)算。,14,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,自然對流換熱 有限空間的自然對流換熱 水平夾層的自然對流換熱問題分為三種情況： (1) 熱面朝上，冷熱面之間無流動發(fā)生，按導(dǎo)熱計(jì)算； (2) 熱面朝下，對氣體Gr.Pr<1700,按導(dǎo)熱計(jì)算；

10、 (3) 有限空間的自然對流換熱方程式： Nu=C(Gr.Pr)m(δ/h)n 定型尺寸為厚度δ，定性溫度為冷熱壁面的平均溫度Tm=(tw1+tw2 ),15,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體受迫流動換熱 管內(nèi)受迫流動換熱 管內(nèi)受迫流動的特征表現(xiàn)為：流體流速、管子入口段及溫度場等因素對換熱的影響。 入口段：流體從進(jìn)入管口開始需經(jīng)歷一段距離后管兩側(cè)的邊界層才

11、能夠在管中心匯合，這時(shí)管斷面流速分布及流動狀態(tài)才達(dá)到定型。這段距離稱為入口段。入口段管內(nèi)流動換熱系數(shù)是不穩(wěn)定的，所以計(jì)算平均對流換熱系數(shù)應(yīng)對入口段進(jìn)行修正。在紊流時(shí)，如果管長與管內(nèi)徑之比L/d>50則可忽略入口效應(yīng)，實(shí)際上多屬于此類情況。 管內(nèi)受迫層流換熱準(zhǔn)則式： Nu=0.15Re0.33 Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25 管內(nèi)受迫紊流換熱準(zhǔn)則式：

12、tw>tf Nu=0.023Re0.8 Pr0.4. tw<tf Nu=0.023Re0.8 Pr0.3,16,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動力學(xué)基礎(chǔ)流量與斷面平均流速 流量：單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的流體數(shù)量。如數(shù)量以體積衡量稱為體積流量Q；單位為m3/s(CFM)；如數(shù)量用重量衡量稱為重量流量G，單位為Kg/s。二者的關(guān)系為：

13、 G=γQ 斷面平均流速：由于流體的粘性，過流斷面上各點(diǎn)的流速分布不均勻，根據(jù)流量相等原則所確定的均勻流速稱為斷面平均流速。單位m/s(CFM) V＝Q/A濕周與水力半徑 濕周：過流斷面上流體與固體壁面相接觸的周界長度。用x表示，單位m。 水力半徑：總流過過流斷面面積A與濕周x之比稱為水力半徑，應(yīng)符號R表示，單位M。 恒定流連

14、續(xù)性方程 對不可壓縮流體：V1A1=V2A2. 對可壓縮流體 ： ρ1V1A1=ρ1V2A2,17,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動力學(xué)基礎(chǔ)恒定流能量方程 對理想流體：Z＋p/γ+v2/2g=常數(shù) 實(shí)際流體:由于粘性作為會引起流動阻力，流體阻力與流體流動方向相反作負(fù)功，使流體的總能量不斷衰減，每個(gè)斷面的Z＋p/y+v2/2g≠常數(shù)，假設(shè)流體從斷面1到斷面2的能量損失為hw，則元流的

15、能量方程式為： Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋hw,18,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動力學(xué)基礎(chǔ)流體流動的阻力:由于流體的粘性和固體邊界的影響，使流體在流動過程中受到阻力，這個(gè)阻力稱為流動阻力，可分為沿程阻力和局部阻力兩種。 沿程阻力：在邊界沿程不變的區(qū)域，流體沿全部流程的摩檫阻力。 局部阻力：在邊界急劇變化的區(qū)域，如斷面突然擴(kuò)大或突然

16、縮小、彎頭等局部位置，是流體的流體狀態(tài)發(fā)生急劇變化而產(chǎn)生的流動阻力。層流、紊流與雷諾數(shù) 層流：流體質(zhì)點(diǎn)互不混雜，有規(guī)則的層流運(yùn)動。 Re=Vde/ν<2300 層流 紊流：流體質(zhì)點(diǎn)相互混雜，無規(guī)則的紊流運(yùn)動。 顯然層流狀態(tài)下只存在粘性引起的摩檫阻力，而紊流狀態(tài)下除摩檫阻力外還存在由于質(zhì)點(diǎn)相互碰撞、混雜所造成的慣性阻力，因此紊流的阻力較層流阻力

17、大的多。 Re=Vde/ν<2300 紊流,19,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動力學(xué)基礎(chǔ)管內(nèi)層流沿程阻力計(jì)算(達(dá)西公式) hf=λ(L/de)(ρV2/2) λ－沿程阻力系數(shù)，λ＝64/Re 管內(nèi)紊流沿程阻力計(jì)算 hf=λ(L/de)(ρV2/2) λ＝f(Re，ε/d)，即紊流時(shí)沿程阻力系數(shù)不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，還與

18、相對粗糟度ε有關(guān)。 尼古拉茲采用人工粗糟管進(jìn)行試驗(yàn)得出了沿程阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式： 紊流光滑區(qū)：4000<Re<105, λ采用布拉修斯公式計(jì)算： λ＝0.3164/Re 0.25,20,熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論,流體動力學(xué)基礎(chǔ)非園管道沿程阻力的計(jì)算 引入當(dāng)量水力半徑后所有園管的計(jì)算方法與公式均可適用非園管，只需把園管直徑換成當(dāng)量水力直徑。

19、de=4A/x局部阻力 hj＝ξρV2/2 ξ－局部阻力系數(shù) 突然擴(kuò)大： 按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ1＝(1-A1/A2) 按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ2＝(1-A2/A1) 突然縮小： 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。,21,散熱器的設(shè)計(jì)方法,

20、散熱器冷卻方式的判據(jù)對通風(fēng)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(fēng)冷。對通風(fēng)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(fēng)冷。散熱器強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的判據(jù)對通風(fēng)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(qiáng)迫風(fēng)冷。對通風(fēng)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

21、采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。,22,散熱器的設(shè)計(jì)方法,散熱器設(shè)計(jì)的步驟 通常散熱器的設(shè)計(jì)分為三步 1:根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計(jì)處輪廓圖。 2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。 3:進(jìn)行校核計(jì)算。,23,散熱器的設(shè)計(jì)方法,自然冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法考慮到自然冷卻時(shí)溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個(gè)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

22、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(chǎn)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(fā)黑處理，以增大散熱表面的輻射系數(shù)，強(qiáng)化輻射換熱。由于自然對流達(dá)到熱平衡的時(shí)間較長，所以自然對流散熱器的基板及齒厚應(yīng)足夠，以抗擊瞬時(shí)熱負(fù)荷的沖擊，建議大于5mm以上。,24,散熱器的設(shè)計(jì)方法

23、,強(qiáng)迫冷卻散熱器的設(shè)計(jì)方法在散熱器表面加波紋齒，波紋齒的深度一般應(yīng)小于0.5mm。增加散熱器的齒片數(shù)。目前國際上先進(jìn)的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達(dá)到23的高寬比，國內(nèi)目前高寬比最大只能達(dá)到8。對能夠提供足夠的集中風(fēng)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(shè)計(jì)方式，增加流體的擾動，提高散熱齒間的對流換熱系數(shù)。當(dāng)風(fēng)速大于1m/s(200CFM)時(shí)，可完全忽略浮升力對表面換熱的影響。,25,散熱器的設(shè)

24、計(jì)方法,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,26,散熱器的設(shè)計(jì)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,27,散熱器的設(shè)計(jì)方法,不同形狀、不同的成型方法的散熱器的傳熱效率比較,28,散熱器的設(shè)計(jì)方法,散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法相似準(zhǔn)則數(shù)的定義,,,29,散熱器的設(shè)計(jì)方法,散熱器的相似準(zhǔn)則數(shù)及其應(yīng)用方法相似準(zhǔn)則數(shù)的應(yīng)用,,30,散熱器的設(shè)計(jì)方法,散熱器的基板的優(yōu)化方法,,31,散熱器

25、的設(shè)計(jì)方法,不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法,,32,散熱器的設(shè)計(jì)方法,不同風(fēng)速下散熱器齒間距選擇方法,,33,散熱器的設(shè)計(jì)方法,優(yōu)化散熱器齒間距的經(jīng)驗(yàn)公式及評估風(fēng)速變化對熱阻的影響的經(jīng)驗(yàn)公式,,34,散熱器的設(shè)計(jì)方法,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?yàn)榇藭r(shí)輻射波長相當(dāng)長，處于不可見的紅外區(qū)。而在紅外區(qū)，一個(gè)良好的發(fā)射體也是一個(gè)良好的吸收體，發(fā)射率和吸收率與物體表面的顏色無關(guān)。對于強(qiáng)迫風(fēng)冷

26、，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(xiàn)。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(jì)算時(shí)，如表面積不規(guī)則，應(yīng)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。,35,熱設(shè)計(jì)的計(jì)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(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻，只有在自然冷卻無法滿足散熱要求時(shí)，才考慮其它冷卻。冷卻方式

27、的選擇方法1:根據(jù)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。,36,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷卻方式的選擇方法冷卻方式的選擇方法2:根據(jù)熱流密度與溫升要求，按圖2所示關(guān)系曲線選擇，此方法適應(yīng)于溫升要求不同的各類設(shè)備的冷卻,37,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷卻方式的選擇方法冷卻方式的選擇方法案例 某電子設(shè)備的功耗為300W，機(jī)殼的幾何尺寸為248×381×

28、432mm，在正常大氣壓下，若設(shè)備的允許溫升為40℃，試問采用那種冷卻方法比較合理？ 計(jì)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(jù)圖2查得，當(dāng)△t=40℃，q=0.04W/cm2時(shí)，其交點(diǎn)正好落在自然冷卻范圍內(nèi)，所有采用自然冷卻方法就可以滿足要求。

29、 若設(shè)備的溫升有嚴(yán)格限制，假設(shè)只允許10℃，由圖2可以看出，需強(qiáng)迫風(fēng)冷才能滿足要求。,38,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算密封機(jī)箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT 對通風(fēng)機(jī)箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4σεTm3ΔT+1000uAΔT 對強(qiáng)迫通風(fēng)機(jī)箱 WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt

30、1.25+4σεTm3ΔT+ 1000QfΔT,39,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)計(jì)算[案例]有一電子設(shè)備其總功耗為55W，其外形尺寸長、寬、高分別為400mm、300mm和250mm，外殼外表面的黑度為ε=0.96，外表面的溫度為35℃，周圍環(huán)境溫度為25℃，設(shè)備內(nèi)部的空氣允許溫度為40℃，設(shè)備的四個(gè)側(cè)面及頂面參與散熱，試進(jìn)行自然冷卻設(shè)計(jì)計(jì)算。解: 密封機(jī)箱的最大散熱量 QT =1.86(Ss+4St/3+2

31、Sb/3)Δt1.25+4σεTm3F輻射Δt ＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×10 1.25+4×5.67×10- 8×0.96 ×(0.4× 0.3+1.4×0.25)×3083×10 =16.87+29.9=46.78W<Q=55W

32、 顯然，密封機(jī)箱不能夠滿足散熱要求，需開通風(fēng)口。 通風(fēng)機(jī)箱的通風(fēng)面積計(jì)算 QT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt1.25+4σεTm3F輻射Δt+1000uSinΔt 55＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×10 1.25+4×5.67×10-8×0.96××(0

33、.4× 0.3+1.4×0.25)×3083×10＋1000×0.1×Sin×10 Sin=82.2cm Sout＝(1.5-2.0)Sin=164.4 cm2,40,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,自然冷卻時(shí)進(jìn)風(fēng)口面積的計(jì)算 在機(jī)柜的前面板上開各種形式的通風(fēng)孔或百葉窗，以增

34、加空氣對流，進(jìn)風(fēng)口的面積大小按下式計(jì)算： Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5) s-通風(fēng)口面積的大小，cm2 Q-機(jī)柜內(nèi)總的散熱量，W H-機(jī)柜的高度，cm，約模塊高度的1.5-1.8倍，

35、 Δt=t2-t1－內(nèi)部空氣t2與外部空氣溫度 t1 之差 ， ℃ 出風(fēng)口面積為進(jìn)風(fēng)口面積的1.5-2倍,41,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,強(qiáng)迫風(fēng)冷出風(fēng)口面積的計(jì)算模塊 有風(fēng)扇端的通風(fēng)面積: Sfan=0.785(φin2－φhub2) 無風(fēng)扇端的通風(fēng)面積S=(1.1-1.5) Sfan系統(tǒng) 在后面板(后門)

36、上與模塊層對應(yīng)的位置開通風(fēng)口，通風(fēng)口的面積大小應(yīng)為： S＝(1.5-2.0)(N×S模塊) N---每層模塊的總數(shù) S模塊---每一個(gè)模塊的進(jìn)風(fēng)面積,42,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,通風(fēng)面積計(jì)算的案例[案例] 鐵道信號電源機(jī)柜模塊及系統(tǒng)均為自然冷卻，每層模塊的散熱量為360W，模塊的高度為7U，進(jìn)出口溫差按20℃計(jì)算

37、，機(jī)柜實(shí)際寬度為680mm，試計(jì)算每層進(jìn)出風(fēng)口的面積？ H按2倍模塊的高度計(jì)算，即 H=2×7U=14U 進(jìn)風(fēng)口的面積按下式計(jì)算： Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5) =360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2 進(jìn)風(fēng)口高

38、度h 機(jī)柜的寬度按B=680mm計(jì)，則進(jìn)風(fēng)口的高度為： H=Sin/B=875/68=128.7mm b 出風(fēng)口面積Sout Sout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2,43,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法 q`=Q/(0.335△T) q`---實(shí)

39、際所需的風(fēng)量，M3/h Q----散熱量，W △T-- 空氣的溫升，℃，一般為10－15℃。 確定風(fēng)扇的型號經(jīng)驗(yàn)公式： 按照1.5-2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量： q=(1.5-2)q` 按最大風(fēng)量選擇風(fēng)扇型號。,44,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,實(shí)際冷卻風(fēng)量的計(jì)算方法案例：10K UPS主功率管部分的實(shí)際總損耗為800W，空氣溫升按15℃考慮，請

40、選擇合適的風(fēng)扇。 實(shí)際所須風(fēng)量為： q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h 按照2倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量： q=2q`=2×159.2=318.4m3/h 下表風(fēng)扇為可選型號,45,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)算散熱器的熱阻 散熱器的熱阻是從大的方面包括三個(gè)部分。RSA=

41、R對+R導(dǎo)+ R輻　　　 R對=1/（hc F1） F1--對流換熱面積(m), hc –對流換熱系數(shù)(w/m2.k) R輻--輻射換熱熱阻 ，對強(qiáng)迫風(fēng)冷可忽略不計(jì) 對自然冷卻 R輻

42、＝1/(4бεTm3) R導(dǎo)＝R 基板＋R肋導(dǎo) ＝δ/(λF2)+（(1/η）-1)R對流 λ--導(dǎo)熱系數(shù)，w/m.h.℃

43、 δ-- 散熱器基板厚度(m) η-- 肋效率系數(shù) F2--基板的導(dǎo)熱面積(m)　　　　　　 　F2=0.785*(d+δ)2

44、 d- 發(fā)熱器件的當(dāng)量直徑（m),46,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)算對流換熱系數(shù)的計(jì)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(huán)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

45、，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(huán)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

46、 式中: △t--散熱表面與環(huán)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,47,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)算對流換熱系數(shù)的計(jì)算強(qiáng)迫對流 層流 Ref105 hc＝(1.1-1.4) λ空氣 0.032Ref 0.8/L肋片效率

47、 對直齒肋： η=th(mb)/(mb)) m=(2 hc/λδ0) δ0：肋片根部厚度(m) 　　　　　　 b. 肋高(m),48,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)算散熱器的流阻計(jì)算 散熱器的流阻

48、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(shù) L--流向長度(m) de--當(dāng)量水利直徑(m)，de=4

49、A流通/濕周長 V--斷面流速(m/s) 沿程阻力系數(shù)計(jì)算λf 層流區(qū)：Re=Vd/υ≤2300 λf=64/Re 紊統(tǒng)光滑區(qū) 4000<Re<105 λf=0.3164/Re0.25 υ--運(yùn)動粘度系數(shù)（m2/s），從文獻(xiàn)中查找,49,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)算散熱器的流阻

50、計(jì)算 局面阻力系數(shù)ζ 突然擴(kuò)大 按小面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)：ζ1＝(1-A1A2) 按大面積流速計(jì)算的局部阻力系數(shù)： ζ2＝(1-A2/A1) 突然縮小 可從相關(guān)的資料中查閱經(jīng)驗(yàn)值。,50,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)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(fēng)

51、扇采用PAPST 4656Z ，風(fēng)扇功率19W，最大風(fēng)量為160m3/h，壓頭為70Pa. 風(fēng)道阻力曲線的計(jì)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

52、15;10-3/2.302=5.8×10-3m 由于風(fēng)速較低，一般最大不會超過6m/s，雷諾數(shù)<2300，沿程阻力系數(shù)按下式計(jì)算：λ=64/Re＝64 ν/Vde 沿程阻力按下式計(jì)算： hf=λ(L/de)(ρV2/2)=(64 ν/Vde)(L/de)(ρV2/2) =(64×16.96×10-6×0.24/(V

53、5;0.00582))(ρV2/2) =(8.07/V)(ρV2/2) 局部阻力按下式計(jì)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),51,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,型材散熱器的計(jì)算【案例】續(xù) 確

54、定風(fēng)扇的工作點(diǎn) 10KVA UPS 的選擇風(fēng)扇為PAPST 4656Z，我們把風(fēng)道曲線與風(fēng)扇的曲線進(jìn)行疊加，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，給工作點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)速為5m/s，壓力為35Pa. 散熱器的校核計(jì)算 雷諾數(shù) Ref=V×L/ν=5×0.24/16.96×10-6=5.6604×104 努謝爾特?cái)?shù)： Nuf=0.66Ref0.5=0.66(5.6

55、604×104)0.5=157 對流換熱系數(shù)：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(jì)算結(jié)果表面

56、，散熱器及風(fēng)扇選型是合理的。,52,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法傳熱計(jì)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(shè)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(shù)(μ、Cp、ρ、Pr)。流體的質(zhì)量流速和雷諾數(shù) G=qm/Af Re=deG/μ 根據(jù)雷諾

57、數(shù)確定流體的狀態(tài)(層流或紊流)， Re105, 湍流根據(jù)流體的狀態(tài)(層流或紊流)計(jì)算考爾本數(shù)J Re105,湍流 J=0.023/Re 0.2 也可以根據(jù)齒形及雷諾數(shù)從GJB/Z 27-92 圖12－18查得,53,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法傳熱計(jì)算計(jì)算冷板的換熱系數(shù)： h= JGCpPr2/3 計(jì)算肋片的效率 m=(2h/λδ)0.5，ηf=th(ml)/ml（也可以根據(jù)

58、ml值查相應(yīng)的圖表得到肋片效率)計(jì)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(jì)算傳熱單元數(shù) NTU＝hη0A/qmCp 計(jì)算冷板散熱器的臺面溫度 ts=(eNTU

59、t2-t1)/(eNTU-1),54,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法流體流動阻力計(jì)算計(jì)算流通面積與冷板橫截面積之比 σ=Af/Ac 查空氣進(jìn)入冷板時(shí)入口的損失系數(shù)Kc=f(Re,σ)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re及σ從GJB/Z 27-92 圖12－16及圖12－16查得 查摩擦系數(shù)f=f(Re,σ)： 根據(jù)雷諾數(shù)Re從GJB/Z 27-92 圖12－18查得計(jì)算流動阻力 △P＝G2[(Kc+

60、1-σ2)+2(ρ2/ρ1-1)+f ρ1A/(Afρm)-(1-σ2-Ke)ρ1/ρ2]/(2ρ1),55,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法判斷準(zhǔn)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(fēng)扇,56,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法案例：10KVA UPS 冷板散熱

61、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(huán)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(gè)梯形小通道，共22排，n=29×22=638個(gè) 基板厚度為：9mm 總的流通面積 Af =30

62、.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,57,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法【案例】續(xù)確定風(fēng)扇的工作點(diǎn) Re=de G/μ

63、=deqm/μAf 在40℃空氣的物性參數(shù)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=A

64、f/Ac=0.0193952/0.0288=0.673,58,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法【案例】續(xù) 先忽略空氣密度的變化,不同流量的流阻計(jì)算如下表所示: 我們把兩個(gè)NMB4715的風(fēng)扇流量相加，靜壓不變，得出兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)后的靜壓曲線，再把上表的數(shù)據(jù)繪制成風(fēng)道曲線并與風(fēng)扇靜壓曲線進(jìn)行畫在同一張圖上，其交點(diǎn)即為風(fēng)扇的工作點(diǎn)，即為(170CFM，0.13in.H2O)，工作點(diǎn)對應(yīng)的風(fēng)速為4.14m/

65、s。,59,熱設(shè)計(jì)的計(jì)算方法,冷板的計(jì)算方法【案例】續(xù) 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(zhì)量流量 qm=0.080231×1.12=0.08986kg/s △t= Q/qmCp=870.

66、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.

67、696 換熱系數(shù) 質(zhì)量流速 G=qm/Af =4.14×1.12=4.64kg/m2.s

68、 雷諾數(shù) 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&#

69、215;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(shù)：NTU＝hη0A/qmCp=37.14×0.433&

70、#215;3.241 =0.5772 冷板的表面溫度： Ts=(eNTUt2-t1)/(eNTU-1)=61.9 ℃<70℃ 冷板設(shè)計(jì)方案滿足散熱要求。,60,風(fēng)扇的基本定律及噪音的評估方法,風(fēng)扇定律,,,61,風(fēng)扇的基本定律及噪音的評估方法,風(fēng)扇的噪音問題風(fēng)扇產(chǎn)生的噪音與風(fēng)扇的工作點(diǎn)或風(fēng)量有直接關(guān)系，對于軸流風(fēng)扇在大風(fēng)量，低風(fēng)壓的區(qū)域噪音最小，對于離心風(fēng)機(jī)在高風(fēng)壓，低風(fēng)量的區(qū)域噪音最小，這