[计算机软件及应用]热设计讲座ppt课件

1、电子设备热控制技术 赵惇殳西安电子科技大学 2005年5月深圳电子设备热控制电子设备热控制(设计设计)技术技术热设计实际根底热设计根本原理热设计根本原理液体冷却液体冷却强迫风冷强迫风冷自然冷却自然冷却蒸发冷却蒸发冷却热电致冷热电致冷热管传热热管传热热测试技术热测试技术低热阻及高效热控制技术低热阻及高效热控制技术电子设备热电子设备热(控制控制)设计参考资料设计参考资料1、2、5、4、3、6、7、日文日文电子设备热控制电子设备热控制(设计设计)目目的的 组件和设备的热流密度增长趋势组件和设备的热流密度增长趋势为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的热环境

2、热环境保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性防止电子元器件的热失效防止电子元器件的热失效芯片与器件的热流密度芯片与器件的热流密度1031021010.1110100面积/cm2功耗/W多芯片模块芯片模块电子设备热环境电子设备热环境环境温度和压力或高度的极限值及变化率环境温度和压力或高度的极限值及变化率太阳或周围物体的辐射值太阳或周围物体的辐射值地面设备：周围空气温度、湿度、气压、空气流地面设备：周围空气温度、湿度、气压、空气流 速，周围物体外形和黑度，日光照射速，周围物体外形和黑度，日光照射冷却剂种类冷却剂种类可利用的热沉可利用的热沉机载设备：

3、飞行高度、飞行速度、安装位置，有机载设备：飞行高度、飞行速度、安装位置，有 无空调舱，周围空气温度、速度等无空调舱，周围空气温度、速度等舱船设备：周围空气温度、湿度，有无淡水，舱舱船设备：周围空气温度、湿度，有无淡水，舱 室温度，日照情况等室温度，日照情况等热控制热控制(设计设计)根本要求根本要求满足可靠性要求满足可靠性要求 (根本失效率根本失效率,温度温度T,和电应力和电应力比比s,GJB/Z299)满足热环境的要求满足热环境的要求与维修性设计相结合，易维修与维修性设计相结合，易维修与电路设计同时进展与电路设计同时进展满足对冷却系统的限制要求满足对冷却系统的限制要求根据根据、MTBFtayt

4、经济性、平安性等，选择冷却方法经济性、平安性等，选择冷却方法尺寸、分量、冷却所需功、尺寸、分量、冷却所需功、热控制热控制(设计设计)根本原那根本原那么么保证良好的冷却功能保证良好的冷却功能(可用性与微气可用性与微气候候)保证可靠性保证可靠性良好的经济性良好的经济性(性价比性价比)良好的维修性良好的维修性有良好的顺应性有良好的顺应性(相容性相容性)冷却方法选择冷却方法选择1自然散热对流和辐射自然散热对流和辐射强迫风冷强迫风冷浸没自然对流冷却浸没自然对流冷却强迫水冷强迫水冷浸没沸腾冷却浸没沸腾冷却1024102462241034682468224 6810-11001010-221温升温升外表热流

5、密度外表热流密度 W/cm2冷却方法选择冷却方法选择2空气空气空气空气介质液体介质液体水水介质液体介质液体水水介质液体介质液体自然散热自然散热强迫对流强迫对流蒸发冷却蒸发冷却1.16311.63116.3116311630传热系数传热系数W/m2空气流速空气流速 315m/S流体流速流体流速 0.31.5m/S电子设备热控制电子设备热控制(设计设计)实际根底实际根底传热学传热学 ( 传热计算传热计算,计算传热计算传热学学)流膂力学流膂力学 ( 阻力计算阻力计算)辐射辐射对流对流导热导热 )( )(21wttwwkL)( )(wttAhfwc )( 67. 54100410021wATT 导导

6、热热单层平壁导热单层平壁导热导热根本定律导热根本定律温度场温度场 )( wkAnt)( )t-(t w2w1wkA)( 21wCRkAtttww导热热阻导热热阻多层平壁导热多层平壁导热单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热)( )(ln22112wttrrklww)( 111wniiiiwiwAktt )t -t (1wiw1ln1211niiiirrkl多层圆筒壁导热多层圆筒壁导热接触热阻的影响要素接触热阻的影响要素接触外表接触点的数量、外形、大小及分布规律接触外表接触点的数量、外形、大小及分布规律接触外表的几何外形波纹度和粗糙度接触外表的几何外形波纹度和粗糙度接触外表的硬度接触外表的硬度间隙中介质种

7、类真空、液体、气体等间隙中介质种类真空、液体、气体等非接触间隙的平均厚度非接触间隙的平均厚度接触外表的压力大小接触外表的压力大小接触外表的氧化程度和清洁度接触外表的氧化程度和清洁度接触资料的导热系数接触资料的导热系数减小接触热阻的方法减小接触热阻的方法加一薄紫铜片或延展好的高导热系数资料加一薄紫铜片或延展好的高导热系数资料加低熔点合金铟合金加低熔点合金铟合金提高界面间的接触压力提高界面间的接触压力2200cmN在接触外表涂一薄层导热脂膏在接触外表涂一薄层导热脂膏接触热阻与外表粗糙度接触热阻与外表粗糙度接触压力的关系接触压力的关系接触热阻/W-1cm2 1234500.51.01.52.0接触压

8、力/MPa外表粗糙度/m钢铝3.03.01.650.25导热的数值分析导热的数值分析有限元素法有限元素法(变分原理变分原理)有限差分法有限差分法(温度延续分布问题转化温度延续分布问题转化为离散点的问题为离散点的问题,用差商去替代微商用差商去替代微商)有限差分法求解步骤有限差分法求解步骤2讨论与该差分格式对应的线性代数方程讨论与该差分格式对应的线性代数方程解的独一性解的独一性3求解代数方程组，得到区域内的温度分布求解代数方程组，得到区域内的温度分布(确立差分格式是关键确立差分格式是关键,经过区域离散化经过区域离散化,建立区域建立区域差分方程和边境条件的差分方式差分方程和边境条件的差分方式,构建差

9、分格式构建差分格式,求解线性代数方程求解线性代数方程,得到各节点的温度得到各节点的温度,节点数越节点数越多多,精度越高精度越高)1构成差分格式构成差分格式有限元素法求解步骤有限元素法求解步骤2写出单元的泛函表达式写出单元的泛函表达式3构造每个单元内的插值函数构造每个单元内的插值函数1区域离散化区域离散化5构成代数方程组构成代数方程组6求解代数方程组求解代数方程组4求泛函极值条件的代数方程表达式求泛函极值条件的代数方程表达式对流换热影响要素对流换热影响要素流体流动发生的缘由流体流动发生的缘由(自然对流与强迫对流自然对流与强迫对流)流体流动的形状流体流动的形状(层流与紊乱流层流与紊乱流)换热面的几

10、何外形和位置换热面的几何外形和位置(平板平板,圆管圆管,肋面与横放肋面与横放,竖放竖放,程度或垂直等程度或垂直等)流体的物理性质流体的物理性质(导热系数导热系数,比热比热,密度密度,黏黏度等度等)对流换热系数对流换热系数)(fwcttAh对流换热现象对流换热现象换热系数换热系数空气自然对流空气自然对流310气体强迫对流气体强迫对流20100水自然对流水自然对流2001000水强迫对流水强迫对流100015000水沸腾水沸腾200025000高压水蒸汽强迫对流高压水蒸汽强迫对流5003500水蒸汽凝结水蒸汽凝结500015000对流换热计算对流换热计算准那么数准那么数 称号称号 物理意义物理意义

11、换热强弱努谢尔特数） ( kDhucN粘性力惯性力 ( 雷诺数）wDeR223 ( 粘性力惯性力浮升力格拉晓夫数）tgDrG流体特性参数普朗特数） ( rPUfeDDHL4、定性温度：定性温度：特征尺寸特征尺寸fmtt 、nmrrumPGcN)(fwccttAh准那么方准那么方程程rrPG竖放平竖放平板柱体板柱体 程度板程度板(热面朝上热面朝上) 程度板程度板(热面朝下热面朝下)109109210721073105 31010流态流态层流层流紊流紊流层流层流紊流紊流层流层流C0.100.590.540.150.27n1/41/31/41/31/4特征尺寸特征尺寸高度高度正方形取边长正方形取边长

12、圆盘取圆盘取0.901狭长条取短边狭长条取短边矩形矩形L=2ab/(a+b)自然对流换热计算自然对流换热计算管内流动管内流动4 .08 .0023.0rfefufPRN)(fwccttAh 14.03186.1wfuuldrfefufPRNfwccttAh定性温度定性温度: 流体平均温度流体平均温度特征尺寸特征尺寸: 管子内径或当量直径管子内径或当量直径410eR紊流紊流准那么方程准那么方程层流层流准那么方程准那么方程注注:上述公式或适用于直管、长管上述公式或适用于直管、长管50dl否那么要乘相应修正系否那么要乘相应修正系数数强迫对流换热强迫对流换热 5 . 0fffttt2300eR8 .0

13、032.0fufRN5.066.0efufRNfwcttAh定性温度定性温度: 特征尺寸特征尺寸: 流体流动方向板或柱体的长度流体流动方向板或柱体的长度L510eR紊流紊流准那么方准那么方程程层流层流准那么方程准那么方程强迫对流换热计算强迫对流换热计算 5.0fffttt沿平板流动或沿柱体轴线流动沿平板流动或沿柱体轴线流动510eR对流换热的数值计算对流换热的数值计算延续方程延续方程能量方程能量方程动量方程动量方程2220222()()()uvwSxyzxyz 流体动力粘度；流体动力粘度； 流体运动粘度；流体运动粘度； 流体定压比热；流体定压比热； 源项；源项；vpC0SktuvwpC0SrS

14、xpSxypSyzpSzz方向动量方程方向动量方程y方向动量方程方向动量方程x方向动量方程方向动量方程能量方程能量方程01延续方程延续方程0稳态，三维对流换热的通用方程为稳态，三维对流换热的通用方程为式中式中u 、v、wx、y和和z方向的速度分量；方向的速度分量；式中各系数的对应关系如表所列式中各系数的对应关系如表所列辐射换热的根本概念辐射换热的根本概念吸收率吸收率反射率反射率穿透率穿透率辐射换热的根本定律辐射换热的根本定律普朗克定律普朗克定律四次方定律四次方定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律实践物体的辐射和吸收实践物体的辐射和吸收黑体的辐射黑体的辐射角系数角系数交叉线法交叉线法断面的长度表面不交叉

15、线之和交叉线之和1212F11111) 11(rrEE)100()100(67.5424112TTAxt111121xt有效辐射有效辐射平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热(w) 67.54100410021TTA辐射换热计算辐射换热计算黑度黑度: 主要取决于物体外表形状主要取决于物体外表形状热阻网络计算法热阻网络计算法 (两个外表以上的辐射计算两个外表以上的辐射计算)外表热阻外表热阻11111ArbEE1bErE1111A空间热阻空间热阻112121ArrEE121rE2rE1211A两外表间两外表间1rE2rE1111A1bE2bE1211A2221A21211 2111ffcfftt

16、AkttAchkLAch传热计算传热计算热流体热流体冷流体冷流体固体壁固体壁(平壁或圆筒平壁或圆筒)1wt2wtAhc111ft2ftkAAhc 211ft2ft1wt2wtk1ch2chox(w) 2211221111AchddnkLAchl圆筒壁圆筒壁1ft2ft122ddnkLl1wt2wtAhc11Ahc 212r1r2ft2wt1wt1ftxok2ch1ch221111121AchkAAchfftt肋壁传热肋壁传热k2ch1ch1ft2ft2wt1wt1A2A1ft2ft1wt2wt肋效率：肋效率：mlmlth热热 阻阻辐射热阻辐射热阻对流热阻对流热阻导热热阻导热热阻 )( WCkA

17、tR)( 1WCAhtcR)( 1WCAhtcfR接触传热接触传热2122 212121wwacttAkAkAkttttAkvwwvfcvcvww电子设备自然冷却设计技术电子设备自然冷却设计技术自然冷却设备的构造要素自然冷却设备的构造要素机壳热设计机壳热设计机壳通风孔面积机壳通风孔面积机壳外表处置机壳外表处置)(cm 2104 . 705 . 150tHAPCB自然冷却热设计自然冷却热设计印制线导体尺寸确实定印制线导体尺寸确实定PCB上元器件热安装技术上元器件热安装技术尽量利用尽量利用DIP的引线导热的引线导热粘接技术粘接技术采用散热采用散热PCB导热条、导热板、夹芯板导热条、导热板、夹芯板冷

18、热分区陈列冷热分区陈列元件陈列方向有利于气流流动与冷却阻力元件陈列方向有利于气流流动与冷却阻力减小元件热应变的安装技术减小元件热应变的安装技术导轨热设计导轨热设计内导体宽内导体宽B/mm0.11.02.05.05105010020030040000.51.02.05.010121020304060允许电流允许电流/A导面子积导面子积A/10-3m210.50.3070m35 m17.5 m印制导体尺寸与电流、温印制导体尺寸与电流、温升的关系升的关系706560655570501201009080a金属夹芯印制板金属夹芯印制板b普通印制板普通印制板PCB温度分布温度分布消除热应力的元件安装方法消

19、除热应力的元件安装方法acb导轨构造方式导轨构造方式30.5km015.2km条件条件(B)(A)(D)各种导轨的热阻值各种导轨的热阻值(.mm/W)(C)2672032031534648305394abcdPCB热计算热计算均匀热负荷导热条热计算均匀热负荷导热条热计算普通普通PCB热计算热计算ckALt2maxscsbsbsqRRRR)(PCB 1方阻bbksbR)( 1印制线方阻cckscR面积百分比印制线占 PCB :BLRsqt8maxLhRchLBhsqct5 . 0212max5 . 01BLsqchLBRt57.118max1 FEtLBhRcsq0785. 012maxBRhc

20、hLsqcE5.0215.02LRhchBsqcF5.0215.020chBL(1)0ch(2)0ch(3)0ch(4)半导体用散热器热计算半导体用散热器热计算max ) 1 (最大功耗jmax )2(tcsRRbR ) 3(hA1fR )4(atjtftfRbRbR集成电路的热分析集成电路的热分析离散热源产生的收缩效应离散热源产生的收缩效应1无限大的导热介质上的圆热源无限大的导热介质上的圆热源3长窄条热源在有限导热介质上长窄条热源在有限导热介质上2有限大的导热介质上的圆热源有限大的导热介质上的圆热源cjTTT04短而窄热源在有限导热介质上短而窄热源在有限导热介质上jTcT0T外表温度外表温度

21、2r12r22bl2a2a2d2b2cr(a)(d)(c)(b)A圆形热源的收缩效应圆形热源的收缩效应B窄条热源的收缩效应窄条热源的收缩效应r1-热源半径，热源半径， r2-圆柱半径圆柱半径长窄条热源长窄条热源krtc12收缩效应收缩效应有限大圆形导热介质有限大圆形导热介质无限大圆形导热介质无限大圆形导热介质5 . 1211)1 (2rrkrtc)2sin(1lnbalktc短窄条热源短窄条热源321cccctttt其中其中221)sin(2mbamacbkt1222)sin(2mmbdmabckt112223)()()sin()sin(22mncnbmnmbamcdnadkt2a-热源宽度，

22、热源宽度，2b-窄条宽度，窄条宽度，l-窄条长窄条长度度2d窄条热源长度，窄条热源长度，2c短条长度短条长度典型微电路组装图典型微电路组装图陶瓷基板陶瓷基板芯片芯片0.02032mm粘结剂粘结剂0.00254mm基板基板0.0508mm环氧树脂环氧树脂0.0127mm柯伐合金柯伐合金0.00254mm导热脂导热脂0.0127mm5.083.8120.3215.24ABCDab芯片结到外壳的传热芯片结到外壳的传热CURCHRCDOREURCHRCDARALREPRKORSGREURCHRCOBREURCHRCDORCCRCARCBRCDRC2.52WA3.24WB2.81WD3.03W551t2

23、t3t4t电子设备强迫空气冷却电子设备强迫空气冷却单个元件风冷单个元件风冷整机鼓风冷却整机鼓风冷却整机抽风冷却整机抽风冷却大机柜中屏蔽盒的通风冷却大机柜中屏蔽盒的通风冷却出风口出风口外部对流外部对流外部辐射外部辐射内部对流内部对流风机风机滤尘器滤尘器空气入口空气入口大机柜大机柜PCB热计算热计算32kCpcpGJCh1800Re200 当98.06 8eRJ 时长宽比大于98. 07 . 2eRJ 正方形风道54102 . 1Re10 当2 .0023.0eRJ wAWG ftCQWp每厘米每厘米7个肋片铝个肋片铝160入口入口出口出口元器件元器件0.6多层印制板多层印制板0.954.8941

24、.20.233100空芯空芯PCB风冷风冷用速度头表示电子机箱的压降。与速度的关系为用速度头表示电子机箱的压降。与速度的关系为22VHcmH O1277没有空气流动的增压电子机箱没有空气流动的增压电子机箱无空气流动无空气流动3.53cmH2O0cmH2O3.53cmH2OHt总压头总压头Hv速度头速度头Hs静压头静压头=+3.518g/cm21.39in1.39in0鼓风经过电子机箱时的压头特性鼓风经过电子机箱时的压头特性电子机箱抽风时的压头特性电子机箱抽风时的压头特性3.53cmH2O2.54cmH2O0.39cmH2OHt总压头总压头Hv速度头速度头Hs静压头静压头=+1.0in1.39i

25、n0.39in吹风空气流速吹风空气流速V=4005ft/min空气进口空气进口空气出口空气出口-0.99cmH2O2.54cmH2O-3.53cmH2OHt总压头总压头Hv速度头速度头Hs静压头静压头=+1.0in-0.39in1.39in抽风空气流速抽风空气流速V=4005ft/min空气出口空气出口空气进口空气进口PCB组件风冷组件风冷出口出口PCB2.5空气入口空气入口轴流风机轴流风机雏形风道雏形风道机壳机壳200(1)(2)(3)(4)(5)(6)PCB之间间隙构成的冷却通道之间间隙构成的冷却通道印制电路板印制电路板a=230mmb=200mm空气流向空气流向d=2.5mm管道纵横比管

26、道纵横比a23092d2.5各个部件的压头各个部件的压头a伸出管道，不良进口伸出管道，不良进口b倾斜边缘，良好进口倾斜边缘，良好进口4828轻型叶翼轴式风扇的空气流通横截面类似于轻型叶翼轴式风扇的空气流通横截面类似于Rotron Aximax288100R=6点点2处的空气流通横截面处的空气流通横截面点点3处的空气流通横截面处的空气流通横截面127mm面积面积=967.74mm27.62mm分配冷空气到印制电路板管道的进气槽分配冷空气到印制电路板管道的进气槽1.524mm152.4mm面积面积=232.2mm2各种外形进口的损各种外形进口的损失失通道形式通道形式说明说明速度头（速度头（HV）损

27、失数损失数普通管道端普通管道端0.93法兰管道端法兰管道端0.49圆滑进口圆滑进口0.04伸出进口伸出进口2.70表表2第第1点点第第2点点第第3点点第第4点点第第5点点第第6点点A(cm2)V1(cm/s)V2V3HV1(cmH2O)HV2HV31240080012000.0980.3920.88312.837575011250.0860.3450.7769.6549799514900.0750.3030.6812.253056099140.1140.4541.0245.751202393580.00880.0350.07851202393580.00880.0350.0785系统的压力损失

28、系统的压力损失表表1通道方式通道方式阐明阐明速度头速度头(HV)损失数损失数普通管道端普通管道端发蓝管道端发蓝管道端圆滑进口圆滑进口伸出进口伸出进口0.040.490.932.70速度头速度头空气进口空气进口空气出口空气出口耗散功率耗散功率Q=500W自在流通自在流通面积面积=0.645m2480mm1830mm大型机柜的抽风流动大型机柜的抽风流动5ft122 空气出口空气出口隔板隔板空气进口空气进口a耗散功率耗散功率Q=300WA4=100in2A3=50in2A2=100in2A1=50in2122 tab表示大型机柜流动阻力的数学模型表示大型机柜流动阻力的数学模型通风机任务点确定通风机任

29、务点确定恒速风扇；恒速风扇；3相，相，115伏，伏，400周周454 JS马达马达 15500转转/分，分，25瓦瓦变速风扇变速风扇Altivar：单相：单相400，415YS马达马达11000转转/分，分，18瓦瓦不稳定点不稳定点机箱阻力曲线机箱阻力曲线543210510152021ABm3/mincmH2O通风机的选择通风机的选择种类、特点种类、特点任务点任务点特性曲线特性曲线通风机串联通风机串联通风机并联通风机并联1P2P1fQ2fQfQA(单个)B(串联)C(风道特性)静压P风量风量a通风机串联特性曲线通风机串联特性曲线1fQ2fQfQ1P2P静压PA(单个)B(并联)C(风道特性)风

30、量风量b通风机并联特性曲线通风机并联特性曲线通风机串、并联特性曲线通风机串、并联特性曲线构造要素对风冷效果影响构造要素对风冷效果影响通风机位置通风机位置元件的陈列元件的陈列风道构造方式风道构造方式热源位置热源位置紊流器紊流器漏风的影响漏风的影响好的速好的速度分布度分布出口出口入口入口轴流式轴流式风机风机a较好的速度分布较好的速度分布出口出口入口入口轴流式轴流式风机风机差的速差的速度分布度分布叶片叶片b较差的速度分布较差的速度分布叶片不同位置的速度分布叶片不同位置的速度分布入口入口出口出口入口入口出口出口出口出口入口入口出口出口入口入口两种风机安装方式的比较两种风机安装方式的比较a较好较好b较差

31、较差风道构造方式的影响风道构造方式的影响入口入口出口出口锥形风道锥形风道b好好高速高速气流气流回流回流低静压区低静压区高静压区高静压区a差差出口出口机柜漏风的影响机柜漏风的影响a密封密封b抽风抽风c鼓风鼓风d串联串联风冷设计根本原那么风冷设计根本原那么合理控制气流和分配气流合理控制气流和分配气流集中热源，单独风冷集中热源，单独风冷元器件陈列原那么元器件陈列原那么力求对气流的阻力最小力求对气流的阻力最小进出口尽量远离，防止风流短路进出口尽量远离，防止风流短路大机柜中屏蔽盒的通风冷却大机柜中屏蔽盒的通风冷却出风口出风口外部对流外部对流外部辐射外部辐射内部对流内部对流风机风机滤尘器滤尘器空气入口空气

32、入口大机柜大机柜PCB热计算热计算32kCpcpGJCh1800Re200 当98.06 8eRJ 时长宽比大于98. 07 . 2eRJ 正方形风道54102 . 1Re10 当2 .0023.0eRJ wAWG ftCQWp 例例 把装有印制板的屏蔽盒插入大机柜中进展通风冷却。经过把装有印制板的屏蔽盒插入大机柜中进展通风冷却。经过屏蔽盒间的冷却空气流速为屏蔽盒间的冷却空气流速为76cm/s，冷空气的入口温度为，冷空气的入口温度为50。每个屏蔽盒的尺寸为每个屏蔽盒的尺寸为130mm高高140mm长长38mm宽，宽，其损耗功率为其损耗功率为4W，屏蔽盒的间距为，屏蔽盒的间距为2.5mm，如下图

33、。为改良屏蔽，如下图。为改良屏蔽盒内部辐射换热，盒的内侧壁进展喷漆处置。试确定印制板外表和盒内部辐射换热，盒的内侧壁进展喷漆处置。试确定印制板外表和屏蔽盒外表的热点温度。屏蔽盒外表的热点温度。气隙2.538131276/cm sst140130内部辐射热阻外部热阻屏蔽盖内部导热热阻PCB4w3R1R2Rptst50ft aPCB在屏蔽盒中的位置在屏蔽盒中的位置b热路模型热路模型50ft 220.5 10 ( )abdmab6218.97 10/vms1005 /()pcJkgP0.696r31.06/kg m17.6 10/wm s3ef67.6 0.5 10R20018.97 10dv130

34、/2.5=5280.98ef6J=0.033R2G=0.806kg/(m s)-2/32cprh =JC G(P )34/()m解：定性温度解：定性温度 物性参数：物性参数：；。 风道的长宽比风道的长宽比 故故特征尺寸：当量直径特征尺寸：当量直径；50ft -422A=13 14 101.82 10 m3R3c1R1.62/Wh Ast33t4 1.626.5R s3t56.5ftt屏蔽盒外侧对流换热面积屏蔽盒外侧对流换热面积屏蔽盒外侧对流热阻屏蔽盒外侧对流热阻屏蔽盒外表温度屏蔽盒外表温度由于盒内元件外表至内壁之间的间隙很小由于盒内元件外表至内壁之间的间隙很小13mm， 按有限空间处置，假设按

35、有限空间处置，假设为为为为32 3r262g t9.81 (1.3 10 )22G28.9v338.5 (19.95 10 )65.5ft 按近似导热处置，热阻按近似导热处置，热阻R1为为辐射热阻辐射热阻R2为为2121.3 10R = /24.4/2.93 100.13 0.14kAW44212R =6.8/5.67AT 100T 100tWR1与与R2是并联热阻，故总热阻为是并联热阻，故总热阻为12t12R RR =5.32/RRW24 5.3221.3ttR 与假设的温差与假设的温差22接近接近PCB外表温度为外表温度为p2t =56.521.377.8stt电子设备液体冷却电子设备液体

36、冷却直接液体冷却直接液体冷却蒸汽不再循环蒸汽不再循环有搅动有搅动发热元器件浸入冷却液无蒸发发热元器件浸入冷却液无蒸发蒸汽再循环蒸汽再循环元器件或组件浸入冷却液有蒸发元器件或组件浸入冷却液有蒸发TCM技术技术无搅动无搅动间接液体冷却间接液体冷却冷板技术液冷冷板技术液冷泵和热交换器泵和热交换器泵的选择泵的选择流量流量压力压力离心泵离心泵泵的种类泵的种类齿轮泵齿轮泵轴流式泵轴流式泵热交换器的种类热交换器的种类列管间壁式列管间壁式顺流顺流逆流逆流叉流叉流往复流往复流紧凑式紧凑式单流体冷板单流体冷板热热 计计 算算传传 热热冷流体冷流体热流体热流体 )( 1111ttCqpm对数平均温差对数平均温差 t

37、tnlttmt)(2 222ttCqpmmtkA适用于顺流适用于顺流逆流逆流1由知条件，由热平衡方程，求另一个由知条件，由热平衡方程，求另一个未知温度未知温度2求求tm5核算流体阻力核算流体阻力4由传热方程求换热面积由传热方程求换热面积A3布置换热面，计算传热系数布置换热面，计算传热系数K6假设阻力偏大，那么重新设假设阻力偏大，那么重新设计计对数平均温差法对数平均温差法热交换器的设计计算热交换器的设计计算11计算传热系数计算传热系数K2计算计算NTU及及5由热平衡方程求由热平衡方程求4计算传热量计算传热量3计算或查表得有效度计算或查表得有效度有效度传热单元数法有效度传热单元数法 NTUmaxm

38、in)()(pmpmCqCq2 1tt 、热交换器的设计计算热交换器的设计计算2冷却剂冷却剂物理特性沸点、冰点、闪点、燃点等物理特性沸点、冰点、闪点、燃点等热特性热特性相容性相容性经济性经济性冷却剂评价规范冷却剂评价规范自然对流自然对流强迫对流层流强迫对流层流强迫对流紊流强迫对流紊流2.02.02.06.04.01pCk5.02pC7.072.03pC电气特性介电强度、体积电阻率、介电常数等电气特性介电强度、体积电阻率、介电常数等)(、pCk液体冷却系统的设计液体冷却系统的设计1确定冷却方式，选择冷却剂确定冷却方式，选择冷却剂确定流量或流速确定流量或流速由由t2根据热平衡方程确定其流量根据热平

39、衡方程确定其流量选择二次冷却方式热交换器类型选择二次冷却方式热交换器类型确定冷流体在热交换器中的走向、确定确定冷流体在热交换器中的走向、确定h1和和h2确定冷、热流体的温差确定冷、热流体的温差t1=710，t2=5液体冷却系统的设计液体冷却系统的设计2根据根据h1和和h2及及tm,确定确定KA值，进展设计或值，进展设计或选择选择计算阻力损失计算阻力损失选用管路和阀选用管路和阀水套设计发射管水套设计发射管由流量和阻力损失选泵由流量和阻力损失选泵控制维护安装控制维护安装冷冷 板板冷板构造方式冷板构造方式气冷式气冷式液冷式液冷式气冷式冷板气冷式冷板肋片肋片封端封端平直形肋平直形肋锯齿形肋锯齿形肋燕尾

40、形燕尾形燕尾槽形燕尾槽形多孔形肋多孔形肋矩形矩形外凸矩形外凸矩形封端封端底板底板盖板盖板肋片肋片冷板换热计算冷板换热计算1热平衡方程热平衡方程换热方程换热方程 mtAh02112tsttstnlttmt)(12ttCqpmNTUlpmssCqAhttttn02121ttttNTUsse settesttNTUNTU112冷板换热计算冷板换热计算2冷板总的压力损失冷板总的压力损失冷板有效度冷板有效度 112ttttsNTUe11 211121122221121eAAcGkfkpmecRfk eeRfk frcAAAc为通道截面积，为通道截面积， Afr为冷板截面积为冷板截面积eRff 冷板校核设

41、计冷板校核设计1温升温升pmcqtGdeR 32rpPJGChmlmlthffkhm2肋效率肋效率AAff110总效率总效率冷板校核设计冷板校核设计2传热单元数传热单元数假设不满足假设不满足67条件，重新计条件，重新计算算pmcqAhNTU0压力损失压力损失pp settesttNTUNTU112初步确定构造方式及尺寸、选肋初步确定构造方式及尺寸、选肋由定性温度，确定冷却剂物性参数由定性温度，确定冷却剂物性参数定性温度定性温度 tf=(2ts+t1+t2)/4出口温度出口温度 t2 =t1+t冷却剂温差冷却剂温差通道截面积通道截面积 Ac=b1S2 S2单位宽度的通道面积单位宽度的通道面积pm

42、cqt单位面积质量流量单位面积质量流量cmAGGdeeR冷板设计计算冷板设计计算1冷板深度冷板深度 D1=A/S1b1 S1单位面积的传热面积单位面积的传热面积112tttts压降压降 PP32rpPJGChAAff11011NTUe0hcNTUqpmA 比较比较AA ， PP，假设不满足，重新设，假设不满足，重新设定定b，D值，直至符合要求值，直至符合要求冷板设计计算冷板设计计算2电子设备的蒸发冷却电子设备的蒸发冷却原理原理蒸发冷却系统的组成蒸发冷却系统的组成汽汽水两相冷却水两相冷却蒸发冷却的运用蒸发冷却的运用蒸发冷却系统的设计计算蒸发冷却系统的设计计算超蒸发冷却超蒸发冷却热电致冷原理热电致

43、冷原理塞贝克效应塞贝克效应珀尔帖效应珀尔帖效应付立叶效应付立叶效应焦耳效应焦耳效应汤姆逊效应汤姆逊效应热电致冷的热计算热电致冷的热计算致冷量致冷量性能系数性能系数最大温差最大温差最大致冷量最大致冷量最正确任务电流最正确任务电流资料质量因数资料质量因数最正确性能系数最正确性能系数最正确致冷量设计程序最正确致冷量设计程序最正确性能系数设计方法最正确性能系数设计方法热电致冷器的构造及运用热电致冷器的构造及运用结结 构构特特 点点应应 用用蒸发端蒸发端冷凝端冷凝端gvlcPPPPmax毛细泵力毛细泵力RclP2蒸发端蒸发端冷凝端冷凝端ccrlcPcos2eerlePcos2热管的任务原理热管的任务原理

44、1热管的任务原理热管的任务原理2eeccrrleccPPPcoscos2kAqllwmeflP2284cevrmvllarqvlPsinglPlglevwvvllglrlkALvmLqsin2maxmax热管构造与资料热管构造与资料分类分类蒸汽流量调理热管蒸汽流量调理热管过量流体热管过量流体热管充气热管充气热管构造资料构造资料任务液要求任务液要求管芯资料、要求管芯资料、要求管壳资料、要求管壳资料、要求热管传热极限热管传热极限粘性限粘性限声速限声速限毛细限毛细限沸腾限沸腾限携带限携带限t声速限声速限粘性限粘性限毛细限毛细限携带限携带限沸腾限沸腾限热管运用与设计热管运用与设计设计步骤设计步骤吸液芯

45、参数确定截面积吸液芯参数确定截面积AW，蒸汽通道截面积，蒸汽通道截面积AV管壳设计壁厚、封头厚度管壳设计壁厚、封头厚度任务液的选择任务液的选择计算任务液充装量计算任务液充装量传热极限的校验传热极限的校验设计要求任务温度、传热量、任务环境、设计要求任务温度、传热量、任务环境、构造尺寸、其他构造尺寸、其他运用管状、平板、可控热管运用管状、平板、可控热管68.90.6210-100.00423.4200目镍丝网目镍丝网0.77110-100.0061200目不锈钢网目不锈钢网0.6510-109.0二层二层180目不锈钢网目不锈钢网1.3510-10二层二层120目镍丝网目镍丝网6.0010-105

46、.4120目镍丝网目镍丝网1.52310-100.0131100目镍丝网目镍丝网521.7410-120.0009156.8烧结铜粉末烧结铜粉末911.910-90.021泡沫状铜泡沫状铜68.90.01510-110.00140镍纤维镍纤维(d=0.01mm)1.5510-100.00410金属毡金属毡0.06110-1125.4玻璃纤维玻璃纤维孔隙度孔隙度/%浸透率浸透率毛细半径毛细半径/cm毛细提升高度毛细提升高度/cm资料及目孔尺寸资料及目孔尺寸2/K cm表表 1管芯的毛细半径、浸透率及孔隙度数值管芯的毛细半径、浸透率及孔隙度数值 普通普通良好良好普通普通良好良好良好良好普通普通镍镍

47、良好良好良好良好不好不好良好良好良好良好不好不好不锈钢不锈钢不好不好不好不好良好良好普通普通不好不好铝铝良好良好良好良好良好良好不好不好良好良好良好良好铜铜DOW-E*DOW-A*甲醇甲醇氨氨丙酮丙酮水水工工 作作 液液吸液芯吸液芯资料资料表表2 不同资料组合的相容性不同资料组合的相容性*表中表中DOWDowtherm导热姆换热剂二苯及二苯氧化物的混合物导热姆换热剂二苯及二苯氧化物的混合物工作液工作液沸点沸点/熔点熔点/液体液体密度密度/(kg gm-3)蒸汽蒸汽密度密度/(kg gm-3)液体动液体动力粘度力粘度/(Pas-1103)表面表面张力张力/(Nm-1102)汽化汽化潜热潜热/(k

48、Jkg-1)蒸汽蒸汽比热比热/(kJkg-1-1)蒸汽蒸汽粘度粘度/(Pas-1)热流热流密度密度(Wcm-2)水水10009580.600.285.8922581.881.27109氨氨-33.3-77.7690.40.050.273.0913842.100.8559.1甲醇甲醇64.7-97.8746.21.470.311.8510851.611.1157.0丙酮丙酮56.5-957442.370.231.865172.280.9033.8DOW-A257.7128583.600.272.003011.811.0026.7庚烷庚烷97.4-951.99表表3 适用于电子设备中热管的任务液适

49、用于电子设备中热管的任务液电子设备热测试技术电子设备热测试技术温度丈量温度丈量压力丈量压力丈量流量丈量流量丈量温度丈量温度丈量热电偶测温原理、制造、测试热电偶测温原理、制造、测试红外线测温仪红外线测温仪热敏电阻热敏电阻-80200温度敏感涂料温度敏感涂料381800液晶测温液晶测温压力与流量丈量压力与流量丈量液柱压力计液柱压力计U形管、倾斜或杯式、微压计形管、倾斜或杯式、微压计节流式流量计节流式流量计弹簧或压力表弹簧或压力表毕托管测流量流速毕托管测流量流速转子流量计转子流量计低热阻设计技术 低熔点合金填料(In) 低热阻芯片技术 1).微焊接技术 2).有机介质. 资料 3).基板技术 4).

50、热介质资料 低热阻优化散热器表1降低几种传热热阻的方法导热热阻导热热阻自然对流自然对流热阻热阻强迫对流强迫对流热阻热阻辐射热阻辐射热阻接触热阻接触热阻缩短导热途缩短导热途径径增大导热面增大导热面积积选导热系数选导热系数大的资料大的资料流体流动不流体流动不受妨碍受妨碍散热面垂直散热面垂直放置放置增大散热面增大散热面积积程度热面向程度热面向上上 液体比气体液体比气体好好增大流速增大流速增大外表粗增大外表粗糙度糙度加紊流器加紊流器增大散热面增大散热面积积增大黑度增大黑度增大角系数增大角系数增大散热面增大散热面积积提高温差提高温差增大接触面增大接触面积积外表光滑平外表光滑平整整接触资料软接触资料软增大

51、接触压增大接触压力力界面涂导热界面涂导热剂剂低热阻散热器优化技术低热阻散热器优化技术 准那么方程优化准那么方程优化 遗传算法优化遗传算法优化优化结果1表2 SRX08D50散热器自然冷却优化结果功率(w)肋片数肋厚(mm)肋间距(mm)平均温差()热阻(/W)未优化散热器热阻(/W)热阻减小百分比1.0829.75.195.465.978.51.51026.87.535.235.809.82.5829.711.674.545.2713.94.01026.816.724.184.558.15.01026.818.704.104.355.7优化结果2功率(W)肋片数肋厚(mm)肋间距(mm)平均温

52、差()热阻(/W)未优化散热器热阻(/W)热阻减小百分比3.01026.88.582.863.3614.94.01025.010.922.733.1112.25.0829.713.252.652.9911.46.0825.015.242.542.829.97.0825.017.432.492.676.7表3 SRX08D125散热器自然冷却优化结果优化结果优化结果3风速风速(m/s)肋片肋片数数肋厚肋厚(mm)肋间距肋间距(mm)热阻热阻(/W)未优化散热器未优化散热器热阻热阻(/W)热阻减小百热阻减小百分比分比1.02021.91.171.6629.51.62221.50.751.5351.

53、02.22421.20.541.0749.52.62421.20.421.0058.03.02421.20.320.8863.6表4 SRX08D50散热器强迫风冷优化结果优化结果4表5 SRX08D125散热器强迫风冷优化结果 功耗：19.55W风速(m/s)肋片数肋厚(mm)肋间距(mm)热阻(/W)未优化散热器热阻(/W)热阻减小百分比1.11423.81.001.2318.71.51423.80.821.0219.62.01623.00.670.749.52.41623.00.540.6516.93.02021.90.380.5530.9功率器件低热阻技术 ASIC器件物理模型xyz2

54、0芯片键合方式IC芯片焊料IC芯片焊料凸点焊料IC芯片 (a) 丝焊 (b) TAB (c) 倒装焊 微焊接技术的影响 焊料的影响基板技术的影响基板资料的影响有机介质资料的影响介质层通孔面积的影响热介质资料的影响热介质的影响芯片功率点分布的影响 (a)位于基板中心(b)位于基板上部高效热控制技术高效热控制技术 微通道散热器微通道散热器 热管技术热管技术 相变冷却相变冷却 :液体相变冷却液体相变冷却 :固体相变冷却固体相变冷却高效热控制技术高效热控制技术 微通道散热器微通道散热器Cu绝缘体(AlN)粘接剂芯片SiSiO2结 合 面芯 片微通道散热器组装微通道散热器组装激光切割微通道散热器激光切割微通道散热器MCM与微通道散热器与微通道散热器零热阻热管零热阻热管1铰链热管铰链热管2微型热管微型热管3仙人掌热管散热器仙人掌热管散热器微型热管散热器微型热管散热器薄膜热电致冷薄膜热电致冷钻石薄膜散热器钻石薄膜散热器基于Bi2Te3的TE薄膜金属化层阻挡层铜带层接触层阻挡层铜带层阻挡层焊料凸点阻挡层金属化层不同流体的换热系数不同流体的换热系数0.0010.010.111010010000.0001水氟 化 物 流 体氟 化 物 流 体水