电子热传递原理及热设计基础.ppt

1、传热暨热设计基础,广州网站建设（广州奇亿网络）,一、传热基础,目录,概述 热传导 热辐射 热对流 复合换热 传热术语 热设计的基本要求 热设计遵循的原则 热路和电路的相似性比较 热阻的串连和并联计算 一些常用材料的导热系数 热设计常用基本单位换算,一、传热基础,概述,有温差的地方就会有热量传递发生； 对于无内热源的稳定传热过程，传热量（Q或q）和传热温差t的有如下的关系式： Q=qF=t/ R （W） 或 q=Q/F=t/r （W/m2 ） Q亦称热流量； q亦称热流率或热流密度； t亦称传热推动力； Fm2为传热面积； R/W为热阻； r =RFm2. /W称单位面积热阻； 传热的基本方式有

2、热传导、热辐射和热对流三种。在实际的传热过程中，它们可能以一种形式出现，也可能是以两种或三种形式一起出现的复合换热。,一、传热基础,热传导（1）,同一物体内部或互相接触的物体之间，当温度不同但没有相对的宏观位移时的传热方式； 热传导的基本规律付立叶（J.B.J.Fourier）定律：,kW/m 导热系数，代表物质的导热能力；,等温面法向温度梯度,附： k值一般情况下大致为： 气体： 0.010.6 W/m. ; 液体： 0.010.7 W/m. ; 非导电固体： 0.023.0 W/m. ; 金属： 15420 W/m. ; 绝热材料： 0.23 W/m. ; ,一、传热基础,热传导（2）,单

3、层平壁热传导（一维） ：,单层平壁热传导CFD 温度梯度,热导体,热源,一、传热基础,热传导（3）,多层平壁热传导 ：,多层平壁热传导,多层平壁热传导CFD 温度梯度,Heat Source,Ge -Typical,Cu Pure,Epoxy,Ceramic,glass fiber,一、传热基础,热传导（4）,单层圆筒壁热传导 ：,多层圆筒壁热传导 ：,多层圆筒壁热传导示意图,一、传热基础,热辐射,辐射：物体通过电磁波传播能量的过程； 热辐射：波长为0.1100m的热射线在空间传播能量的现象。,热辐射的主要规律 斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律（四次方定律）：,式中：

4、E0和E黑体和实际物体的辐射力； TK 绝对温度； 0=5.6710-8W/m2K4或4.8810-8kcal/m2.h.K4， 黑体的辐射常数； =E/E0 实际物体的黑度,或,一、传热基础,热对流（1）,热对流：流体各部分宏观位移引起的热量转移现象； 自然对流：流体内部存在温度差从而存在密度差，在体积力（浮升力等）作用下所产生的热对流; 强制对流: 借助于机械外力（泵或风机等）推动的热对流。,一、传热基础,热对流（2）,自然对流CFD模型,自然对流示意图,一、传热基础,热对流（3）,强制对流CFD模型,强制对流示意图,一、传热基础,热对流（4）,对流换热热量计算的主要规律牛顿（L.Newt

5、on）冷却定律： Q=hFt 式中： t 壁面温度与流体温度之差； h对流换热系数，是对流换热强度的集中指标。, 附：常用物质的 h 系数： ,一、传热基础,复合换热,复合换热：以两种或两种以上的基本换热方式 进行的换热过程。,下图所示散热模组的传热过程就是一例复合换热过程，传热的三种基本方式在此模组中都有涉及：,散热模组,散热模组复合传热示意图,一、传热基础,传热术语（1）,热特性：设备或元器件温升随环境变化的特性，包括温度，压力和流量分布特征。 导热系数k：表示材料导热性能的参数指标；单位时间内，单位面积上，负的温度梯度下的导热量；单位为W/m.K或W/m.。 对流换热系数h：反映两种介质

6、间对流换热过程强弱的参数指标；表示当流体与壁面的温差为1 时，单位时间内通过单位面积上的热量；单位为W/m2.K或W/m2.。 热阻R：热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小；表明了1W热量所引起的温升大小；单位为/W或K/W；分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类。 温度稳定：设备处于工作状态时，设备中发热元器件表面温度每小时变化波动范围在1内时，称温度稳定。 热点：元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置；热点器件指单板上温度最高和较高的器件。,一、传热基础,传热术语（2）,温升：元器件表面温度与设备外部环境温度的差值；用符号t表示。 层流：流体呈有规

7、则的、有序的流动，换热系数小，流阻小。 紊流(湍流)：流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流阻大。 表征温度的三种方式：摄氏温度Tc ，绝对温度TK ，华氏温度TF ；其换算关系如下： TK273Tc, Tc=5(TF-32)/9 黑度：实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。 雷诺数Re：用以说明流体流态的一个相似准则，其大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小。 通风机工作点：系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点。 机柜/箱表面温度：设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的平均值。,一、传热基础,热设计的基本要

8、求,热设计应满足产品的可靠性要求: 根据预期的热环境，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下； 规定值由产品整体的可靠性指标分解得到。 热设计应满足产品预期工作的热环境要求 : 环境温度及压力的极限值； 环境温度及压力的变化率； 允许的冷却方式。 热设计应满足对冷却系统的限制要求: 对强迫风冷产品的噪音及振动限制; 对冷却系统的结构限制(包括安装条件、密封、体积和重量) 。 热设计应符合与其有关的标准、规范规定的要求 ： 国际标准； 国内标准； 行业标准与行业规范; 客户企业标准与客户企业规范； 供应商企业标准与供应商企业规范；,一、传热基础,热设计遵循的原则,热设计应与电气设计、结构设计同时

9、进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾。 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作。 每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求。 元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低。 模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路以及风速调节回路，以提高系统的可靠性及经济性。 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。 冷却系统要便于测试与维护。 采用强迫风冷的条件：在常压下，强迫风冷的散热极限为0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2