企业管理产品热设计

1、yealink产品热设计VCS项目散热预研欧国彦2012-12-4热设计、冷却方式、散热器、热管技术产品的热热设计为什么要要进行热热设计在调试或或维修电电路的时时候，我我们常提提到一个个词“*烧了了”，这个个*有时时是电阻阻、有时时是保险险丝、有有时是芯芯片，可可能很少少有人会会追究这这个词的的用法，为什么么不是用用“坏”而是用用“烧”？其原原因就是是在机电电产品中中，热失失效是最最常见的的一种失失效模式式，电流流过载，局部空空间内短短时间内内通过较较大的电电流，会会转化成成热，热热*不易易散掉，导致局局部温度度快速升升高，过过高的温温度会烧烧毁导电电铜皮、导线和和器件本本身。所所以电失失效的

2、很很大一部部分是热热失效。高温对电电子产品品的影响响：绝缘缘性能退退化；元元器件损损坏；材材料的热热老化；低熔点点焊缝开开裂、焊焊点脱落落。温度对元元器件的的影响：一般而而言，温温度升高高电阻阻阻值降低低；高温温会降低低电容器器的使用用寿命；高温会会使变压压器、扼扼流圈绝绝缘材料料的性能能下降，一般变变压器、扼流圈圈的允许许温度要要低于995C；温度过过高还会会造成焊焊点合金金结构的的变化IMCC增厚，焊点变变脆，机机械强度度降低；结温的的升高会会使晶体体管的电电流放大大倍数迅迅速增加加，导致致集电极极电流增增加，又又使结温温进一步步升高，最终导导致元件件失效。那么问一一个问题题，如果果假设电

3、电流过载载严重，但该部部位散热热极好，能把温温升控制制在很低低的范围围内，是是不是器器件就不不会失效效了呢？答案为为“是”。由此可见见，如果果想把产产品的可可靠性做做高，一一方面使使设备和和零部件件的耐高高温特性性提高，能承受受较大的的热应力力（因为为环境温温度或过过载等引引起均可可）；另另一方面面是加强强散热，使环境境温度和和过载引引起的热热量全部部散掉，产品可可靠性一一样可以以提高。热设计的的目的控制产品品内部所所有电子子元器件件的温度度，使其其在所处处的工作作环境条条件下不不超过标标准及规规范所规规定的最最高温度度。最高高允许温温度的计计算应以以元器件件的应力力分析为为基础,并且与与产品

4、的的可靠性性要求以以及分配配给每一一个元器器件的失失效率相相一致。热设计的的方法冷却方式式的选择择我们机电电设备常常见的是是散热方方式是散散热片和和风扇两两种散热热方式，有时散散热的程程度不够够，有时时又过度度散热了了，那么么何时应应该散热热，哪种种方式散散热最合合适呢？这可以以依据热热流密度度来评估估，热流流密度=热量 / 热通通道面积积。按照GGJB/Z277-922 电子子设备可可靠性热热设计手手册的的规定（如下图1），根据据可接受受的温升升的要求求和计算算出的热热流密度度，得出出可接受受的散热热方法。如温升升40（纵轴轴），热热流密度度0.004W/cm22（横轴轴），按按下图找找到交

5、叉叉点，落落在自然然冷却区区内，得得出自然然对流和和辐射即即可满足足设计要要求。大部分热热设计适适用于上上面这个个图表，因为基基本上散散热都是是通过面面散热。但对于于密封设设备，则则应该用用体积功功率密度度来估算算，热功功率密度度=热量量 / 体积。下图（图2）是温升升要求不不超过440时，不不同体积积功率密密度所对对应的散散热方式式。比如如某电源源调整芯芯片，热热耗为00.011W，体体积为00.1225cmm3，体体积功率率密度=0.11/0.1255=0.08WW/cmm3，查查下图得得出金属属传导冷冷却可满满足要求求按照上图图，可以以得出冷冷却方法法的选择择顺序：自然冷冷却一导热一强迫

6、风风冷一液冷一蒸发冷冷却。体体积功率率密度低低于0.1222W/ccm3传传导、辐辐射、自自然对流流等方法法冷却；0.1122-0.443W/cm33强迫风风冷；00.433O.66W/ccm3液液冷；大大于0.6W/cm33蒸发冷冷却。注注意这是是温升要要求400时的推推荐参考考值，如如果温升升要求低低于400，就需需要对散散热方式式降额使使用，00.1222时就就需要选选择强迫迫风冷，如果要要求温升升很低，甚至要要选择液液冷或蒸蒸发冷却却了。散热器的的选择这里面还还应注意意一个问问题，是是不是强强迫风冷冷能满足足散热要要求，我我们就可可以随便便选择风风扇转速速呢，当当然不是是，风扇扇的转速

7、速与气流流流速有有直接关关系，这这里又涉涉及一个个新概念念热阻阻。热阻=温温度差 / 热热耗（单单位/W）热阻越小小则导热热性能越越好，这这个概念念等同于于电阻，两端的的温度差差类似于于电压，传导的的热量类类似于电电流。风风道的热热阻涉及及流体力力学的一一些计算算，如果果我们在在热设计计方面要要求不是是很苛刻刻，可通通过估算算或实验验得出，如果要要求很苛苛刻，可可以查阅阅GJJB/ZZ27-92 电子设设备可靠靠性热设设计手册册，里里面有很很多系数数、假设设条件的的组合，三言两两语说不不清楚，个别系系数我也也没搞明明白如何何与现实实的风道道设计结结合，比比如，风风道中有有一束电电缆、风风道的壁

8、壁不是均均匀的金金属板，而是有有高低不不平带器器件的电电路板，对一些些系数则则只能估估算了，最准确确的方式式反而是是实验测测量了。热阻更多多的是用用于散热热器的选选择，一一般厂家家都能提提供这个个参数。举例，芯片功功耗200W，芯芯片表面面不能超超过855，最高高环境温温度555，计算算所需散散热器的的热阻RR。计算：实实际散热热器与芯芯片之间间的热阻阻近似为为0.11/W，则则(R+0.11)=(85-55) /200W，则则R=11.4/W。依依据这个个数值选选散热器器就可以以了。这里面注注意一个个问题，我们在在计算中中默认为为热耗芯片功功率，对对一般的的芯片，我们都都可以这这样估算算，因

9、为为芯片中中没有驱驱动机构构，没有有其他的的能量转转换机会会，大部部分是通通过热量量转化掉掉了。而而对于电电源转换换类芯片片或模块块，则不不可以这这样算，比如电电源，它它是一个个能源输输出，它它的输入入电量一一部分转转化成了了热，另另外很大大部分转转化成电电能输出出了，这这时候就就不能认认为热耗耗功率。散热器的的设计方方法3.1、散热器器设计的的步骤通常散热热器的设设计分为为三步= 1 * alphabetica:根据据相关约约束条件件设计处处轮廓图图。= 2 * alphabeticb:根据据散热器器的相关关设计准准则对散散热器齿齿厚、齿齿的形状状、齿间间距、基基板厚度度进行优优化。= 3

10、* alphabeticc:进行行校核计计算。自然冷却却散热器器的设计计方法3.2.1、考虑到到自然冷冷却时温温度边界界层较厚厚，如果果齿间距太太小，两两个齿的的热边界界层易交交叉，影影响齿表面的的对流，所以一一般情况况下，建建议自然然冷却的的散热器器齿间距大大于122mm，如果散散热器齿齿高低于于10mmm，可按齿齿间距1.22倍齿高高来确定定散热器器的齿间间距。3.2.2、自然冷冷却散热热器表面面的换热热能力较较弱，在在散热齿齿表面增增加波纹纹不会对对自然对对流效果果产生太太大的影影响，所所以建议议散热齿齿表面不不加波纹纹齿。3.2.3、自然对对流的散散热器表表面一般般采用发发黑处理理，以

11、增增大散热热表面的的辐射系系数，强强化辐射射换热。3.2.4、由于自自然对流流达到热热平衡的的时间较较长，所所以自然然对流散散热器的的基板及及齿厚应应足够，以抗击击瞬时热热负荷的的冲击，建议大大于5mmm以上上。强迫冷却却散热器器的设计计方法在散热器器表面加加波纹齿齿，波纹纹齿的深深度一般般应小于于0.55mm。3.3.2、增加散散热器的的齿片数数。目前前国际上上先进的的挤压设设备及工工艺已能能够达到到23的高高宽比，国内目目前高宽宽比最大大只能达达到8。对能能够提供供足够的的集中风风冷的场场合，建建议采用用低温真真空钎焊焊成型的的冷板，其齿间间距最小小可到22mm。采用针状状齿的设设计方式式

12、，增加加流体的的扰动，提高散散热齿间间的对流流换热系系数。当风速大大于1mm/s(2000CFMM)时，可完全全忽略浮浮升力对对表面换换热的影影响。在一定冷冷却条件件下，所所需散热热器的体体积热阻阻大小的的选取方方法在一定的的冷却体体积及流流向长度度下，确确定散热热器齿片片最佳间间距的大大小的方方法不同形状状、不同同的成型型方法的的散热器器的热传传递效率率比较的的大小的的方法散热器的的相似准准则数及及其应用用方法3.7.1、相相似准则则数的定定义相似准则则数的应应用3.8、散热器器的基本本的优化化方法3.9、不同风风速下散散热器齿齿间距选选择方法法3.100、优化散热热器齿间距的的经验公公式及

13、评评估风速速变化对对热阻的的影响的的经验公公式3.111、辐射换换热的考考虑原则则= 1 * GB3如果物物体表面面的温度度低于550，可忽略略颜色对对辐射换换热的影影响。因因为此时时辐射波波长相当当长，处处于不可可见的红红外区。而在红红外区，一个良良好的发发射体也也是一个个良好的的吸收体体，发射射率和吸吸收率与与物体表表面的颜颜色无关关。= 2 * GB3对于强强迫风冷冷，由于于散热表表面的平平均温度度较低，一般可可忽略辐辐射换热热的贡献献。= 3 * GB3如果物物体表面面的温度度低于550，可不考考虑辐射射换热的的影响。= 4 * GB3辐射换换热面积积计算时时，如表表面积不不规则，应采

14、用用投影面面积。即即沿表面面各部分分绷紧绳绳子求得得的就是是这一投投影面积积，如下下图所示示。辐射射传热要要求辐射射表面必必须彼此此可见。风路的设设计方法法4.1、自然冷冷却的风风路设计计4.1.1、设设计要点点：机柜的后后门(面板)不须开开通风口口。底部或侧侧面不能能漏风。应保证模模块后端端与机柜柜后面门门之间有有足够的的空间。机柜上部部的监控控及配电电不能阻阻塞风道道，应保保证上下下具有大大致相等等的空间间。对散热器器采用直直齿的结结构,模块放放在机柜柜机架上上后,应保证证散热器器垂直放放置,即齿槽槽应垂直直于水平平面。对对散热器器采用斜斜齿的结结构,除每个个模块机机箱前面面板应开开通风口

15、口外,在机柜柜的前面面板也应应开通风风口。4.1.2、典典型的自自然冷机机柜风道道结构形形式4.2、强迫冷冷却的风风路设计计4.2.1、设设计要点点：如果发热热分布均均匀，元元器件的的间距应应均匀，以使风风均匀流流过每一一个发热热源.如果发热热分布不不均匀，在发热热量大的的区域元元器件应应稀疏排排列，而而发热量量小的区区域元器器件布局局应稍密密些，或或加导流流条，以以使风能能有效的的流到关关键发热热器件。如果风扇扇同时冷冷却散热热器及模模块内部部的其它它发热器器件，应应在模块块内部采采用阻流流方法，使大部部分的风风量流入入散热器器。进风口的的结构设设计原则则：一方方面尽量量使其对对气流的的阻力

16、最最小，另另一方面面要考虑虑防尘，需综合合考虑二二者的影影响。风道的设设计原则则风道尽可可能短，缩短管管道长度度可以降降低风道道阻力；尽可能采采用直的的锥形风风道，直直管加工工容易，局部阻阻力小；风道的截截面尺寸寸和出口口形状，风道的的截面尺尺寸最好好和风扇扇的出口口一致，以避免免因变换换截面而而增加阻阻力损失失，截面面形状可可为园形形，也可可以是正正方形或或长方形形；4.2.2、电电源系统统典型的的风道结结构-吹风方方式4.2.3、电源系统统典型的的风道结结构-抽风方式式热设计的的思路以上部分分是定量量设计部部分的内内容，在在有了一一个定量量的设计计指导后后，也有有一些具具体的工工程技巧巧来

17、帮助助实现理理论计算算结果的的要求。一般的的热设计计思路有有三个措措施：降降耗、导导热、布布局。5.1、降耗降耗是不不让热量量产生；导热是是把热量量导走不不产生影影响；布布局是热热也没散散掉但通通过措施施隔离热热敏感器器件；有有点类似似于电磁磁兼容方方面针对对发射源源、传播播路径、敏感设设备的三三个措施施。降耗是最最原始最最根本的的解决方方式，降降额和低低功耗的的设计方方案是两两个主要要途径，低功耗耗的方案案需要结结合具体体的设计计进行分分析，不不予赘述述。器件件选型时时尽量选选用发热热小的元元器件，如片状状电阻、线绕电电阻(少用碳碳膜电阻阻)；独石石电容、钽电容容(少用纸纸介电容容)；MOS

18、S、CMOOS电路路(少用锗锗管)；指示示灯采用发发光二极极管或液液晶屏(少用白白炽灯)，表面面安装器器件等。除了选选择低功功耗器件件外，对对一些温温度敏感感的特型型元件进进行温度度补偿与与控制也也是解决决问题的的办法之之一，尤尤其是放放大电路路的电容容电阻等等定量测测量关键键器件。降额是最最需要考考虑的降降耗方式式，假设设一根细细导线，标称能能通过110A的的电流，电流在在其上产产生的热热量就较较多，把把导线加加粗，增增大余量量，标称称通过220A的的电流，则同样样都是通通过100A电流流时，因因为内阻阻产生的的热损耗耗就会减减小，热热量就小小。而且且因为降降额，在在环境温温度升高高时，器器

19、件性能能下降情情况下，但因为为有余量量，即使使性能下下降，也也能满足足要求，这是降降额对于于增强可可靠性的的另一个个作用。5.2、导热导热的设设计规范范比较多多，挑一一些比较较常见的的罗列具具体如下下：= 1 * ALPHABETICA、进风风口和出出风口之之间的通通风路径径须经过过整个散散热通道道，一般般进风口口在机箱箱下侧方方角上，出风口口在机箱箱上方与与其最远远离的对对称角上上；= 2 * ALPHABETICB、避免免将通风风孔及排排风孔开开在机箱箱顶部朝朝上或面面板上；= 3 * ALPHABETICC、为防防止气流流回流，进口风风道的横横截面积积应大于于各分支支风道截截面积之之和；

20、= 4 * ALPHABETICD、对靠靠近热源源的热敏敏元件，采用物物理隔离离法或绝绝热法进进行热屏屏蔽。热热屏蔽材材料有：石棉板板、硅橡橡胶、泡泡沫塑料料、环氧氧玻璃纤纤维板，也可用用金属板板和浇渗渗金属膜膜的陶瓷瓷；= 5 * ALPHABETICE、将散散热11w的零零件安装装在机座座上，利利用底板板做为该器器件的散散热器，前提是是机座为为金属导导热材料料；= 6 * ALPHABETICF、热管管安装在在热源上上方且管管与水平平面夹角角须330度；= 7 * ALPHABETICG、PCCB用多多层板结结构（对对EMCC也有非非常非常常大的好好处），使电源源线或地地线在电电路板的的最

21、上层层或最下下层= 8 * ALPHABETICH、热源源器件专专门设计计在一个个印制板板上，并并密封、隔离、接地和和进行散散热处理理；= 9 * ALPHABETICI、散热热装置(热槽、散热片片、风扇扇)用措施施减少热热阻：= 1 * alphabetica、扩大大辐射面面积，提提高发热热体黑度度；= 2 * alphabeticb、提高高接触表表面的加加工精度度，加大大接触压压力或垫垫入软的的可展性性导热材材料；= 3 * alphabeticc、散热热器叶片片要垂直直印制板板；= 4 * alphabeticd、大热热源器件件散热装装置直接接装在机机壳上；= 10 * ALPHABET

22、ICJ、密封封电子设设备内外外均涂黑黑漆可辅辅助散热热；为避避免辐射射热影响响热敏器器件、热热源屏蔽蔽罩内面面的辐射射能力要要强（涂涂黑），外面光光滑（不不影响热热敏器件件），通通过热传传导散热热；= 11 * ALPHABETICK、密封封电子设设备机壳壳内外有有肋片，以增大大对流和和辐射面面积；= 12 * ALPHABETICL、不重重复使用用冷却空空气；= 13 * ALPHABETICM、为了了提高主主要发热热元件的的换热效效率、可可将元件件装入与与其外形形相似的的风道内内；= 14 * ALPHABETICN、抽鼓鼓风冷却却方式的的选择= 15 * ALPHABETICO、风机机的

23、选择择= 16 * ALPHABETICP、被散散热器件件与散热热器之间间充填导导热膏(脂)，以减减小接触触热阻；= 17 * ALPHABETICQ、被散散热器件件与散热热器之间间要有良良好的接接触，接接触表面面光滑、平整，接触面面粗糙度度Ra6.33m；= 18 * ALPHABETICR、辐射射是真空空中传热热的唯一一方法= 1 * alphabetica、确保保热源具具有高的的辐射系系数，如如果处于于嵌埋状状态，利利用金属属传热器器传至冷冷却装置置上；= 2 * alphabeticb、增加加辐射黑黑度；= 3 * alphabeticc、增加加辐射面面积s；= 4 * alphabe

24、ticd、辐射射体对于于吸收体体要有良良好的视视角，即即角系数数要大；= 5 * alphabetice、不希希望吸收收热量的的零部件件，壁光光滑易于于反射热热。= 19 * ALPHABETICS、机壳壳表面温温度不高高于环境境温度110；= 20 * ALPHABETICT、液体体冷却设设计注意意事项= 21 * ALPHABETICU、半导导体致冷冷适用于于= 22 * ALPHABETICV、变压压器和电电感器热热设计检检查项目目= 23 * ALPHABETICW、减小小强迫对对流热阻阻的措施施= 24 * ALPHABETICX、降低低接触热热阻的措措施5.3、布局= 1 * AL

25、PHABETICA、元器器件布局局减小热热阻的措措施：= 1 * alphabetica、元器器件安装装在最佳佳自然散散热的位位置上；= 2 * alphabeticb、元器器件热流流通道要要短、横横截面要要大和通通道中无无绝热或或隔热物物；= 3 * alphabeticc、发热热元件分分散安装装；= 4 * alphabeticd、元器器件在印印制板上上竖立排排放。= 2 * ALPHABETICB、元器器件排放放减少热热影响：= 1 * alphabetica、有通通风口的的机箱内内部，电电路安装装应服从从空气流流动方向向：进风风口放大电电路逻辑电电路敏感电电路集成电电路小功率率电阻电电

26、路有发热热元件电电路出风口口，构成成良好散散热通道道；= 2 * alphabeticb、发热热元器件件要在机机箱上方方，热敏敏感元器器件在机机箱下方方，利用用机箱金金属壳体体作散热热装置。= 3 * ALPHABETICC、合理理布局准准则：= 1 * alphabetica、将发发热量大大的元件件安装在在条件好好的地方方，如靠靠近通风风孔；= 2 * alphabeticb、将热热敏元件件安装在在热源下下面。零零件安装装方向横横向面与与风向平平行，利利于热对对流。= 3 * alphabeticc、在自自然对流流中，热热流通道道尽可能能短，横横截面积积应尽量量大；= 4 * alphabe

27、ticd、冷却却气流流流速不大大时，元元件按叉叉排方式式排列，提高气气流紊流流程度、增加散散热效果果；= 5 * alphabetice、发热热元件不不安装在在机壳上上时，与与机壳之之间的距距离应3540ccm。= 4 * ALPHABETICD、冷却却内部部部件的空空气进口口须加过过滤装置置，且不不必拆开开机壳即即可更换换或清洗洗；= 5 * ALPHABETICE、设计计上避免免器件工工作热环环境的稳稳定性，以减轻轻热循环环与冲击击而引起起的温度度应力变变化。温温度变化化率不超超过1/miin，温温度变化化范围不不超过220，此指指标要求求可根据据产品不不同由厂厂家自行行调整；= 6 *

28、ALPHABETICF、元器器件的冷冷却剂及及冷却方方法应与与所选冷冷却系统统及元件件相适应应，不会会因此产产生化学学反应或或电解腐腐蚀；= 7 * ALPHABETICG、冷却却系统的的电功率率一般为为所需冷冷却热功功率的33%一6%；= 8 * ALPHABETICH、冷却却时，气气流中含含有水分分，温差差过大，会产生生凝露或或附着，防止水水份及其其它污染染物等导导致电气气短路、电气间间隙减小小或发生生腐蚀。措施：= 1 * alphabeticaa、冷却前前后温差差不要过过大；= 2 * alphabeticb、温差差过大会会产生凝凝露的部部位，水水分不会会造成堵堵塞或积积水；= 3 *

29、 alphabeticc、如果果有积水水，积水水部位的的材料不不会发生生腐蚀；= 4 * alphabeticd、对裸裸露的导导电金属属加热缩缩套管或或其他遮遮挡绝缘缘措施；上面对降降耗、导导热、布布局的三三类措施施作了简简要的罗罗列，在在我们设设计一个个系统时时，也要要有一些些系统的的指标进进行评价价和作为为设计目目标，比比如电子子设备的的进口空空气与出出口空气气温差应应144、系统统总功耗耗00.3时时，冷热热的自然然对流边边界层不不会相互互干扰，也不会会出现环环流，可可按大空空间自然然对流换换热计算算方法分分别计算算冷热的的自然对对流换热热；(3) 冷热壁壁温差及及厚度均均较小，以厚度度

30、为定型型尺寸的的Gr=(Bggt 3)/320000时时，通过过夹层的的热量可可按纯导导热过程程计算。水平夹层层的自然然对流换换热问题题分为三三种情况况：(1) 热面朝朝上，冷冷热面之之间无流流动发生生，按导导热计算算；(2) 热面朝朝下，对对气体GGr.PPr550则可可忽略入入口效应应，实际际上多属属于此类类情况。管内受迫迫层流换换热准则则式：Nu=00.155Re0.333Pr0.443Gr0.11(Pr/Prww)0.225 管内受迫迫紊流换换热准则则式：twttf Nu=0.0233Re0.88 Pr0.44.twttf Nu=0.0233Re0.88 Pr0.33流体动力力学基础础

31、1.3.1、流流量与断断面平均均流速流量：单单位时间间内流过过过流断断面的流流体数量量。如数数量以体体积衡量量称为体体积流量量Q；单位位为m3/s(CFMM)；如如数量用用重量衡衡量称为为重量流流量G，单位位为Kgg/s。二者的的关系为为： GG=Q 断面平均均流速：由于流流体的粘粘性，过过流断面面上各点点的流速速分布不不均匀，根据流流量相等等原则所所确定的的均匀流流速称为为断面平平均流速速。单位位m/ss(CFFM) VQ/AA1.3.2、湿湿周与水水力半径径湿周：过过流断面面上流体体与固体体壁面相相接触的的周界长长度。用用x表示，单位mm。水力半径径：总流流过过流流断面面面积A与湿周周x之

32、比称称为水力力半径，应符号号R表示，单位MM。1.3.3、恒恒定流连连续性方方程对不可压压缩流体体：V1A1=V2A2.对可压缩缩流体：1V1A1=1V2A21.3.4、恒恒定流能能量方程程对理想流流体：Zp/+v22/2gg=常数数实际流体体:由于于粘性作作为会引引起流动动阻力，流体阻阻力与流流体流动动方向相相反作负负功，使使流体的的总能量量不断衰衰减，每每个断面面的Zp/yy+v22/2gg常数数，假设设流体从从断面11到断面面2的能量量损失为为hw，则元流流的能量量方程式式为： Z1p1/+v12/2ggZ2p2/+v22/2gghw1.3.5、流流体流动动的阻力力:由于于流体的的粘性和

33、和固体边边界的影影响，使使流体在在流动过过程中受受到阻力力，这个个阻力称称为流动动阻力，可分为为沿程阻阻力和局局部阻力力两种。沿程阻力力：在边边界沿程程不变的的区域，流体沿沿全部流流程的摩摩檫阻力。 局部阻力力：在边边界急剧剧变化的的区域，如断面面突然扩扩大或突突然缩小小、弯头头等局部部位置，是流体体的流体体状态发发生急剧剧变化而而产生的的流动阻阻力。1.3.6、层层流、紊紊流与雷雷诺数层流：流流体质点点互不混混杂，有有规则的的层流运运动。 Re=Vdde/23300 层流紊流：流流体质点点相互混混杂，无无规则的的紊流运运动。显然层流流状态下下只存在在粘性引引起的摩摩檫阻力，而紊流流状态下下除

34、摩檫檫阻力外外还存在在由于质质点相互互碰撞、混杂所所造成的的惯性阻阻力，因因此紊流流的阻力力较层流流阻力大大的多。 RRe=Vdde/23300 紊流1.3.7、管管内层流流沿程阻阻力计算算(达西公公式) hff=(L/de)(V2/2)沿程程阻力系系数，644/Ree1.3.8、管管内紊流流沿程阻阻力计算算 hff=(L/de)(V2/2)f(Re，/dd)，即即紊流时时沿程阻阻力系数数不仅与与雷诺数数有关，还与相相对粗糟糟度有有关。尼尼古拉兹兹采用人人工粗糟糟管进行行试验得得出了沿沿程阻力力系数的的经验公公式：紊流光滑滑区：440000Ree1005, 采用布布拉修斯斯公式计计算： 0.3

35、31644/Ree0.2251.3.9、非非园管道道沿程阻阻力的计计算引入当量量水力半半径后所所有园管管的计算算方法与与公式均均可适用用非园管管，只需需把园管管直径换换成当量量水力直直径。de=44A/xx1.3.10、局部阻阻力 hjV2/2局部部阻力系系数突然扩大大：按小小面积流流速计算算的局部部阻力系系数：1(1-A1/A2)按大面积积流速计计算的局局部阻力力系数：2(1-A2/A1)突然缩小小：可从从相关的的资料中中查阅经经验值。2、机箱箱的热设设计计算算密封机箱箱 WT=1.86(Ss+4SSt/3+2Sbb/2)t1.25+4Tm3T 对通风机机箱WT=11.866(Sss+4SS

36、t/3+2Sbb/2)t1.25+4Tm3T+10000uAAT 对强迫通通风机箱箱WT=11.866(Sss+4SSt/3+2Sbb/2)t1.25+4Tm3T+ 10000QQfT 案例有一电电子设备备其总功功耗为555W，其外形形尺寸长长、宽、高分别别为4000mmm、3000mm和和2500mm，外壳外外表面的的黑度为为=00.966，外表表面的温温度为335，周围环环境温度度为255，设设备内部部的空气气允许温温度为440，设备的的四个侧侧面及顶顶面参与与散热，试进行行自然冷冷却设计计计算。解: 密封机机箱的最最大散热热量 QQT =11.866(Sss+4SSt/3+2Sbb/3)

37、t1.225+44Tm3F辐射t 1.886(11.40.225+00.40.334/33)10 11.255+45.66710- 80.996(0.44 00.3+1.440.225)3088310 =166.877+299.9=46.78WWQ=55WW显然，密密封机箱箱不能够够满足散散热要求求，需开开通风口口。 通风风机箱的的通风面面积计算算 QTT=1.86(Ss+4SSt/3+2Sbb/2)t1.225+44Tm3F辐射t+110000uSiint 5551.886(11.40.225+00.40.334/33)10 11.255+45.66710-880.996(0.4 0.33+

38、1.40.225)3088310100000.11Sin10Sin=82.2cmm 3、自然然冷却时时进风口口面积的的计算在机柜的的前面板板上开各各种形式式的通风风孔或百百叶窗，以增加加空气对对流，进进风口的的面积大大小按下下式计算算： Siin=QQ/(7.4110-55 Ht 1.55) ss-通风风口面积积的大小小，cmm2 Q-机柜内内总的散散热量，W H-机柜的的高度，cm，约约模块高高度的11.5-1.88倍， t=t2-t1内部部空气tt2与外部部空气温温度 tt1之差 ， 出风口面面积为进进风口面面积的11.5-2倍4、强迫迫风冷出出风口面面积的计计算模块 有有风扇端端的通风风

39、面积: Sffan=0.7785(inn2hubb2)无风扇端端的通风风面积SS=(11.1-1.55) SSfann 系统 在后面面板(后后门)上与模模块层对对应的位位置开通通风口，通风口口的面积积大小应应为： S(1.5-22.0)(NS模块块) N-每每层模块块的总数数 S模块块-每一个个模块的的进风面面积 案例 铁道道信号电电源机柜柜模块及及系统均均为自然然冷却，每层模模块的散散热量为为3600W，模模块的高高度为77U，进进出口温温差按220计计算，机机柜实际际宽度为为6800mm，试计算算每层进进出风口口的面积积？ H按按2倍模模块的高高度计算算，即 H=227UU=144U 进风

40、风口的面面积按下下式计算算： Sinn=Q/(7.4110-55Ht11.5) =3600/(77.410-5114 4.4442201.5)=8755 cmm2 进风风口高度度h 机机柜的宽宽度按BB=6880mmm计，则则进风口口的高度度为： H=SSin/BB=8775/668=1128.7mmm b 出出风口面面积Soout Soout=(1.5-22.0)Sinn=28755=17750 cm225、实际际冷却风风量的计计算方法法q=QQ/(0.3355T) qq-实际际所需的的风量，M3/h QQ-散热热量，WW T- 空气气的温升升，一般为为1015。 确定定风扇的的型号经经验公

41、式式： 按照11.5-2倍的的裕量选选择风扇扇的最大大风量： qq=(11.5-2)qq 按最大大风量选选择风扇扇型号。案例10KK UPPS主功功率管部部分的实实际总损损耗为8800WW，空气气温升按按15考考虑，请请选择合合适的风风扇。实际所须须风量为为：q=QQ/(00.3335t)=8000/(00.333515)=1559.22m3/h按照2倍倍的裕量量选择风风扇的最最大风量量： qq=2qq=221599.2=3188.4mm3/h下表风扇扇为可选选型号6、型材材散热器器的计算算散热器的的热阻散热器的的热阻是是从大的的方面包包括三个个部分。RSAA=R对+R导+ RR辐 R对=1/

42、（hc F1） F1-对流流换热面面积(mm), hc 对流流换热系系数(ww/m22.k) R辐辐-辐射射换热热热阻，对对强迫风风冷可忽忽略不计计对自然冷冷却R辐1/(4Tm3) RR导R基板R肋导/(F2)+（(1/）-11)R对对流-导导热系数数，w/m.hh.- 散热器器基板厚厚度(mm) - 肋效率率系数 FF2-基板板的导热热面积(m)F2=00.7885*(d+)2d-发热热器件的的当量直直径（mm)对流换热热系数的的计算自然对流流垂直表面面 hcss=1.4144(t/LL)0.25，w/mm.k式中: t-散热表表面与环环境温度度的平均均温升， L-散热表表面的特特征尺寸寸，

43、取散散热表面面的高，m水平表面面，热表表面朝上上 hctt=1.3222(t/LL)0.25，w/mm.k式中: t-散热表表面与环环境温度度的平均均温升， L-散热热表面的的特征尺尺寸，取取L2(长宽)/(长宽)，m 水平表面面，热表表面朝下下 hcbb=0.6611(t/LL)0.25，w/mm.k式中: t-散热表表面与环环境温度度的平均均温升， L-散热热表面的的特征尺尺寸，取取L2(长宽)/(长宽)，m 强迫对流流层流 Reff1105 hc(1.1-11.4) 空气 00.0332Reef 00.8/L肋片效率率对直齿肋肋：=thh(mbb)/(mb) m=(2 hhc/0)0：肋

44、肋片根部部厚度(m)b. 肋高(mm)散热器的的流阻计计算散热器的的流阻包包括沿程程阻力损损失及局局部阻力力损失Phhf+hj =fL/deV22/2+V22/2f -沿程程阻力系系数 LL-流流向长度度(m) dde-当量量水利直直径(mm)，de=4AA流通/湿周长长 VV-断断面流速速(m/s)沿程阻力力系数计计算ff层流区：Re=Vd/23300 f=644/Ree紊统光滑滑区 440000Ree1005f=0.31664/RRe0.25-运运动粘度度系数（m2/s），从文献献中查找找局面阻力力系数 突然然扩大 按小面面积流速速计算的的局部阻阻力系数数：11(11-A11A2) 按大面

45、面积流速速计算的的局部阻阻力系数数： 2(11-A22/A1) 突然然缩小 可从从相关的的资料中中查阅经经验值。 【案例】散热器器DXCC-6116(天天津铝合合金厂编编号)，截面图图略，散散热器的的截面积积为777.788cm22，周长长为2.3022m，单单位长度度的重量量为211KG/m。风风扇采用用PAPPST 46556Z ，风扇扇功率119W，最大风风量为1160mm3/h，压头为为70PPa。风道阻力力曲线的的计算 入入口面积积：Fiin=00.7885DD2 =00.788500.11192=0.011116mm2 流通面面积：FFf=Finn-Fcc=0.011116-0.0

46、0077778=3.333810-3m2 水力直直径： de4FFf/x=433.3338110-33/2.3022=5.8110-33m 由由于风速速较低，一般最最大不会会超过66m/ss，雷诺诺数223000，沿程程阻力系系数按下下式计算算：=64/Re644 /Vdee 沿程阻阻力按下下式计算算： hf=(L/dde)(V2/2)=(664 /Vdde)(LL/dee)(V2/2) =(644166.966100-600.244/(VV0.005582)(V22/2) =(8.07/V)(V22/2) 局局部阻力力按下式式计算： hjV2/2 对对于突然然缩小，A2/A1=0.00333

47、388/0.011116=0.33，查表表得0.338 总阻阻力损失失 H=hf+ hhj=(00.388+8.07/V )(VV2/2) 确定风扇扇的工作作点 100KVAA UPPS 的的选择风风扇为PPAPSST 446566Z，我我们把风风道曲线线与风扇扇的曲线线进行叠叠加，其其交点即即为风扇扇的工作作点，给给工作点点对应的的风速为为5m/s，压压力为335Paa.散热器的的校核计计算 雷诺诺数 Reff=VL/=50.224/116.996110-66=5.660041104 努谢谢尔特数数： NNuf=00.666Reff0.55=0.66(5.6660441004)0.55=15

48、57 对流流换热系系数：hhc=1.4NNuf/LL=211.7ww/m.k m=(2 hc/)0.5=99.822 mll=9.820.003=00.2995，查查得：0.96 该散散热器的的最大散散热量为为（散热热器台面面温升按按最大440考考虑)： QQhccFtt =4600.4WW计算结果果表明，散热器器及风扇扇选型是是合理的的。 7、冷板板的计算算方法传热计算算 确定空气气流过冷冷板后的的温升：t=QQ/qmmCp 确定定性性温度 tf=(22ts+t1+t2)/44， 冷冷板台面面温度 ts为假定定值 设定冷板板的宽度度为b，则通道道的横截截面积为为Ac ，AAc=bAc00确定

49、定性性温度下下的物性性参数(、CCp、Pr)。流体的质质量流速速和雷诺诺数 G=qqm/Af RRe=ddeG/ 根据雷诺诺数确定定流体的的状态(层流或或紊流)， Re1005, 湍湍流 根据流体体的状态态(层流流或紊流流)计算算考尔本本数J Re1005,湍流流 JJ=0.0233/Ree0.22 也可可以根据据齿形及及雷诺数数从GJJB/ZZ 277-922 图112118查得得 计算冷板板的换热热系数： h= JGGCpPr2/33计算肋片片的效率率 mm=(22h/)00.5，f=thh(mll)/mml（也也可以根根据mll值查相相应的图图表得到到肋片效效率)计算冷板板的总效效率：忽

50、忽略盖板板及底版版的效率率，总效效率为： AAAt+ArAb， 01Ar(1-f)/AA计算传热热单元数数 NTTUhh0A/qqmCp计算冷板板散热器器的台面面温度ts=(eNTTUt2-t1)/(eNTTU-11)流体流动动阻力计计算计算流通通面积与与冷板横横截面积积之比=Aff/Ac 查空气进进入冷板板时入口口的损失失系数KKc=f(Re,)：根据雷雷诺数RRe及从从GJBB/Z 27-92 图1216及图图1216查得得查摩擦系系数f=f(RRe,)： 根据雷雷诺数RRe从GJBB/Z 27-92 图1218查得得计算流动动阻力 PPG2(KKc+1-2)+22(2/1-1)+f 1A

51、/(Afm)-(1-2-Ke)1/2/(21) 判断准则则 确定定是否满满足tsstts，如果不不满足，需增大大换热面面积或增增大空气气流量。 确定定是否满满足PPP，如果不不满足，需减小小冷板的的阻力(如选择择阻力较较小的齿齿形、增增大齿解决等等)或重重新选择择压头较较大的风风扇【案例】10KKVA UPSS 冷板板散热器器，器件件的损耗耗为8770.55W，要要求冷板板散热器器台面温温升小于于30(在40的的环境温温度下)。冷板散热热器的截截面图略略梯形小通通道面积积：Aii=(33.8+2.66)9.55/2=30.4mmm2每排有229个梯梯形小通通道，共共22排，n=22922=63

52、88个基板厚度度为：99mm总的流通通面积 Af =330.442922=0.0019339522 m22冷板的横横截面积积 Ac=120012002=00.02288 m2水力半径径：de=4AAfi/=430.4/(29.55+3.8+22.6)=4.7877mm确定风扇扇的工作作点 Re=de G/=deqm/Af在40空气的的物性参参数为：199.110-66kg/m.ss, 1.112kgg/m33 Re=(44.788710-331.1120.3304883 qm11/(66019.110-660.0019339522)=6.8831 qm11(qm11的单位位为：CCFM)=Af

53、f/Ac=0.019939552/00.02288=0.6673先忽略空空气密度度的变化化,不同同流量的的流阻计计算如下下表所示示:我们把两两个NMMB47715的的风扇流流量相加加，静压压不变，得出两两个风扇扇并联后后的静压压曲线，再把上上表的数数据绘制制成风道道曲线并并与风扇扇静压曲曲线进行行画在同同一张图图上，其其交点即即为风扇扇的工作作点，即即为(1170CCFM，0.113inn.H22O)，工作点点对应的的风速为为4.114m/s。空气流过过冷板后后的温升升 空气口口温度为为40 ，1.12kkg/mm3，Cp=10005.7J/kg. =19.1110-66kg/m.ss， Pr

54、r=0.6999质量流量量 qqm=0.080023111.12=0.0089886kgg/s t= Q/qmCp=8770.55/0.08998610005.77=9.63 定性温度度： ttf=(22ts+t1+t2)= (2880+440+449.663)/4=662.44 按按定性温温度查物物性得： 1.06kkg/mm3，Cp=10005.7J/kg. =220.11100-6kgg/m.s，PPr=0.6966换热系数数 质量量流速 G=qm/Af =44.1441.12=4.664kgg/m22.s 雷诺诺数 Ree=deeG/=4.7877100-344.644/(220.11

55、100-6)=11005.11 层流流 JJ=6/Re 0.98=6/111055.100.988=6.2510-3 hh= JJGCppPr-2/3=66.255100-344.64410005.700.6996-22/3 =377.144W/mm2. 肋片效率率 mm=(22h/)00.5=(237.14/(1880 0.0001)0.5=220.33 mml=220.330.11=2.223 f=thh(mll)/mml=tth(22.233)/22.233=0.4333传热单元元数：NNTUh00A/qqmCp=377.1440.43333.2411 =00.57772冷板的表表面温度度： TTs=(eeNTUUt2-t1)/(eNTTU-11)=661.99 显热） 2.低低的传热热温差（理论上上T 00）4.5热热管工作作原理之之二4.6热热管工作作原理之