热设计的基础知识与规范 - 图文

2.1.14 通风机的特性曲线

指通风机在某一固定转速下工作，静压随风量变化的关系曲线。当风机的出风口 字串1

完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而 风量达到最大

2.1.15 系统的阻力特性曲线

系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压降随空气流量变化 的关系曲线，与流量的平方成正比。 2.1.16 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就是风机的工作点。 2.1.17 速度头

一般使用空气的动压头来作为电子设备机箱压降的惯用基准，其定义为 为空气密度，u为空气流速。风道中空气的静压损失就由速度头乘以阻力损失系数获 得。

2.2 热量传递的基本方式及传热方程式

热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三 种形式同时出现 2.2.1导热的基本方程：

导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。2

λ---- 导热系数，W/m.K或W/m.℃; A导--- 导热方向上的截面面积，m ---- x方向上的温度变化率，℃; R导----- 导热热阻, ℃/W

根据方程的形式，可以看出，要增强散热量，减小温升，可以增加导热系数，选 用导热系数高的材料，如铜（约360W/m℃）或铝（约160W/m℃）；增加导热方向上 的截面积；减小导热方向上的路径。 2.2.2 对流的基本方程：

对流是由流体与流体流经的固体表面之间存在的温差产生的换热现象。 (2-2) 2 2 2

h---- 对流换热系数，W/m .K或W/m .℃; A对--- 有效对流换热面积，m 字串9

tw---- 热表面温度，℃; ta---- 冷却空气温度，℃; R对流----- 对流热阻, ℃/W

由方程可见，要增强对流换热，可以加大换热系数和换热面积。 2.2.3 辐射的基本方程：

---- 系统黑度，

ε1，ε2----分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体表面（如机壳内表 面）的黑度;

F12------ 表面1到表面2的角系数。即表面1向空间发射的辐射落到表面2的百分 数。 2

A1 ---物体1的有效辐射面积，m ; T1, T2--分别为物体1和物体2的绝对温度，K 字串3

由方程可见，要增加辐射换热，可以提高热源表面的黑度和到冷表面的角系数， 增加表面积。 2.3 增强散热的方式

以下一些具体的散热增强方式，其实就是根据上述三种基本传热方程来增加散热 量的：

2.3.1 增加有效散热面积。如在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料 导到PCB板中，利用周围PCB板的表面散热。 2.3.2 增加流过表面的风速，可以增加换热系数。

2.3.3破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截 面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状态，换热避面上的不规则凸起可以 破坏层流状态，加强换热，针状散热器和翅片散热器的换热面积一样，而换热量却可 以增加30%，就是这个原因。吹风时，风扇出口风速分布不均，有主要流动方向，局 部风速较高，一般为紊流状态，局部换热强烈，但要注意回流低速区换热较差。 2.3.4 尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶（绝缘性能好）或铝 箔等材料。

2.3.5 设法减小散热热阻。在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限自然对流和导热、辐射散热，由于空气的导热系数很小，所以热阻很大。如果将器件 表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触，则热阻将大大降低，减小温升。

第三章 自然对流换热

当发热表面温升为40℃或更高时，如果热流密度小于0.04W/cm ，则一般可以通 过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升 力使空气不断流过发热表面，实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备，所以不

需要维护，成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热，应尽量 不使用风扇。

3.1 自然对流热设计要考虑的问题

如果设计不当，元器件温升过高，将不得不采用风扇。合理全面的自然对流热设 计必须考虑如下问题：

3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件时，应将不耐热的元件放在靠近进风口的位 置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温元件，以避免辐射的 影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔开； 将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部； 一般应将热流密度高的元 字串8

器件放在边沿与顶部，靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进风 口附近，注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；大功率的 元器件尽量分散布局，避免热源集中； 不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使风阻 均布，风量分布均匀。

单板上元器件的布局应根据各元件的参数和使用要求综合确定。

3.1.2 是否有足够的自然对流空间。 元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持 一定距离，通常至少13mm，以利于空气流动，增强对流换热。一些具体的参考距离尺 寸如下：

3.1.2.1 对相邻的两垂直发热表面，d/L=0.25，如图3-1-(a)所示;

3.1.2.2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm, 如图3-1-(b)所示; 3.1.2.3.对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85, 如图3-1-(c)所示; 3.1.2.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7, 如图3-1-(d)所示; 3.1.2.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65, 如图3-1-(e)所示;

图3 自然对流时元器件排列的距离关系

竖直放置的电路板上的元件与相邻单板之间的间隙至少为19mm。进出风口应尽量远离，避免气流短路，通风口尽量对准散热要求高的元件。

3.1.3 是否充分运用了导热的传热途径。由于自然对流的换热系数很低，一般为 2

3~10W/m ℃，元件表面积很小或空间较小无法充分对流时，散热量会很小，这时应尽 量采用导热的方式，利用导热系数较高的金属或导热绝缘材料（如导热硅胶，云母， 导热陶瓷，导热垫等）将元件与机壳或冷板相连，将热量通过更大的表面积散掉。 3.1.4 使用散热器。对于个别热流密度较高的元器件，如果自然对流时温升过高，可以 设计或选用散热器以增加散热表面，设计选用方法见第5章。

3.1.5 是否充分运用了辐射的传热途径。高温元件可以通过辐射将部分热量传递给机 壳，机壳对辐射热的吸收强度和表面的黑度成正比。表面粗糙度越高，黑度越高，而 颜色对黑度的影响并不如人们一般认为的那样明显。当机壳表面涂漆，黑度可以达到 很高，接近1。在一个密闭的机盒中，机壳内外表面涂漆比不涂漆时元件温升平均将下 降10%左右。

3.1.6 其他的冷却技术。如果高热流密度元器件附近的空间有限，无法安装大散热器， 可以采用冷管，将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置。

综合考虑上述问题时，将会有许多不同的结构布局方案，用一般的理论公式较难 字串3

分析有限空间的复杂流动和换热，也难以比较方案的好坏。最好采用热设计仿真分析 软件对机箱/盒建模划分网格并计算，然后可以方便地改动布局方案再次计算，比较不 同方案的计算结果，即可获得最佳的或满足要求的方案。国外许多通信公司都采用这 种软件帮助新产品的热设计，使一些产品避免采用风扇散热。