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散热设计方法

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产品的热设计方法介绍为什么要进行热设计？高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。

介绍热设计的目的控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。

最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

在本次讲座中将学到那些内容风路的布局方法、产品的热设计计算方法、风扇的基本定律及噪音的评估方法、海拔高度对热设计的影响及解决对策、热仿真技术、热设计的发展趋势。

授课内容风路的设计方法20分钟产品的热设计计算方法40分钟风扇的基本定律及噪音的评估方法20分钟海拔高度对热设计的影响及解决对策20分钟热仿真技术、热设计的发展趋势50分钟概述风路的设计方法：通过典型应用案例，让学员掌握风路布局的原则及方法。

产品的热设计计算方法：通过实例分析，了解散热器的校核计算方法、风量的计算方法、通风口的大小的计算方法。

风扇的基本定律及噪音的评估方法：了解风扇的基本定律及应用；了解噪音的评估方法。

海拔高度对热设计的影响及解决对策：了解海拔高度对风扇性能的影响、海拔高度对散热器及元器件的影响，了解在热设计如何考虑海拔高度对热设计准确度的影响。

热仿真技术：了解热仿真的目的、要求，常用热仿真软件介绍。

热设计的发展趋势：了解最新散热技术、了解新材料。

风路设计方法自然冷却的风路设计设计要点✓机柜的后门(面板)不须开通风口。

✓底部或侧面不能漏风。

✓应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。

✓机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。

✓对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽应垂直于水平面。

对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外,在机柜的前面板也应开通风口。

风路设计方法自然冷却的风路设计设计案例风路设计方法自然冷却的风路设计典型的自然冷机柜风道结构形式风路设计方法强迫冷却的风路设计设计要点✓如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源.✓如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。

✓如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。

✓进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。

✓风道的设计原则风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力；尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小；风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；风路设计方法强迫冷却的风路设计典型结构风路设计方法强迫冷却的风路设计电源系统典型的风道结构-吹风方式风路设计方法热设计的基础理论自然对流换热大空间的自然对流换热N u=C(G r.P r)n.定性温度：t m=(t f+t w)/2定型尺寸按及指数按下表选取热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热垂直封闭夹层的自然对流换热问题分为三种情况：(1) 在夹层内冷热壁的两股流道边界层能够相互结合，形成环流；(2) 夹层厚度δ与高度之比δ/h>0.3时，冷热的自然对流边界层不会相互干扰，也不会出现环流，可按大空间自然对流换热计算方法分别计算冷热的自然对流换热；(3) 冷热壁温差及厚度均较小，以厚度为定型尺寸的Gr=(Bg△t δ3)/υ3<2000时，通过夹层的热量可按纯导热过程计算。

热设计的基础理论自然对流换热有限空间的自然对流换热水平夹层的自然对流换热问题分为三种情况：(1) 热面朝上，冷热面之间无流动发生，按导热计算；(2) 热面朝下，对气体Gr.Pr<1700,按导热计算；(3) 有限空间的自然对流换热方程式：N u=C(G r.P r)m(δ/h)n定型尺寸为厚度δ，定性温度为冷热壁面的平均温度T m=(t w1+t w2 )热设计的基础理论流体受迫流动换热管内受迫流动换热管内受迫流动的特征表现为：流体流速、管子入口段及温度场等因素对换热的影响。

入口段：流体从进入管口开始需经历一段距离后管两侧的边界层才能够在管中心汇合，这时管断面流速分布及流动状态才达到定型。

这段距离称为入口段。

入口段管内流动换热系数是不稳定的，所以计算平均对流换热系数应对入口段进行修正。

在紊流时，如果管长与管内径之比L/d>50则可忽略入口效应，实际上多属于此类情况。

管内受迫层流换热准则式：N u=0.15R e0.33 P r0.43G r0.1(P r/P rw)0.25管内受迫紊流换热准则式：t w>t f N u=0.023R e0.8 P r0.4.t w<t f N u=0.023R e0.8 P r0.3热设计的基础理论流体动力学基础流量与断面平均流速流量：单位时间内流过过流断面的流体数量。

如数量以体积衡量称为体积流量Q；单位为m3/s(CFM)；如数量用重量衡量称为重量流量G，单位为Kg/s。

二者的关系为：G=γQ断面平均流速：由于流体的粘性，过流断面上各点的流速分布不均匀，根据流量相等原则所确定的均匀流速称为断面平均流速。

单位m/s(CFM)V＝Q/A湿周与水力半径湿周：过流断面上流体与固体壁面相接触的周界长度。

用x表示，单位m。

水力半径：总流过过流断面面积A与湿周x之比称为水力半径，应符号R表示，单位M。

恒定流连续性方程对不可压缩流体：V1A1=V2A2.对可压缩流体：ρ1V1A1=ρ1V2A2热设计的基础理论流体动力学基础恒定流能量方程对理想流体：Z＋p/γ+v2/2g=常数实际流体:由于粘性作为会引起流动阻力，流体阻力与流体流动方向相反作负功，使流体的总能量不断衰减，每个断面的Z＋p/y+v2/2g≠常数，假设流体从断面1到断面2的能量损失为h w，则元流的能量方程式为：Z1＋p1/γ+v12/2g＝Z2＋p2/γ+v22/2g＋h w热设计的基础理论流体动力学基础流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响，使流体在流动过程中受到阻力，这个阻力称为流动阻力，可分为沿程阻力和局部阻力两种。

沿程阻力：在边界沿程不变的区域，流体沿全部流程的摩檫阻力。

局部阻力：在边界急剧变化的区域，如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置，是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。

层流、紊流与雷诺数层流：流体质点互不混杂，有规则的层流运动。

R e=Vd e/ν<2300 层流紊流：流体质点相互混杂，无规则的紊流运动。

显然层流状态下只存在粘性引起的摩檫阻力，而紊流状态下除摩檫阻力外还存在由于质点相互碰撞、混杂所造成的惯性阻力，因此紊流的阻力较层流阻力大的多。

R e=Vd e/ν<2300 紊流热设计的基础理论流体动力学基础管内层流沿程阻力计算(达西公式)h f=λ(L/d e)(ρV2/2)λ－沿程阻力系数，λ＝64/Re管内紊流沿程阻力计算h f=λ(L/d e)(ρV2/2)λ＝f(R e，ε/d)，即紊流时沿程阻力系数不仅与雷诺数有关，还与相对粗糟度ε有关。

尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验得出了沿程阻力系数的经验公式：紊流光滑区：4000<Re<105, λ采用布拉修斯公式计算：λ＝0.3164/R e0.25热设计的基础理论流体动力学基础非园管道沿程阻力的计算引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园管，只需把园管直径换成当量水力直径。

d e=4A/x局部阻力h j＝ξρV2/2ξ－局部阻力系数突然扩大：按小面积流速计算的局部阻力系数：ζ1＝(1-A1/A2)按大面积流速计算的局部阻力系数：ζ2＝(1-A2/A1)突然缩小：可从相关的资料中查阅经验值。

散热器的设计方法散热器冷却方式的判据对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风冷。

对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷。

散热器强迫风冷方式的判据对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。

对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。

散热器的设计方法散热器设计的步骤通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图。

2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。

3:进行校核计算。

散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。

自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。

散热器的设计方法强迫冷却散热器的设计方法在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。

增加散热器的齿片数。

目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。

对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。

采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。

当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。

散热器的设计方法在一定冷却条件下，所需散热器的体积热阻大小的选取方法散热器的设计方法在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最佳间距的大小的方法散热器的设计方法不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较散热器的设计方法散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的定义散热器的设计方法散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的应用散热器的设计方法散热器的基板的优化方法散热器的设计方法不同风速下散热器齿间距选择方法散热器的设计方法不同风速下散热器齿间距选择方法散热器的设计方法优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式散热器的设计方法辐射换热的考虑原则如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。

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10种PCB散热方法

10种PCB散热方法

10种PCB散热方法PCB（Printed Circuit Board）散热是电子产品设计中的一个重要环节，合理的散热方法可以保证电子产品的稳定运行和寿命。

下面将介绍10种常用的PCB散热方法。

1.散热片：在PCB板上加装散热片可以增加散热面积，提高散热效果。

散热片通常由铝、铜等金属材料制成，有助于将热量快速传导到周围的空气中。

2.散热孔：在PCB板上设计散热孔可以增加空气对板块的流动性，加强热量的带走。

合理的散热孔设计可以提高散热效果。

3.散热器：在PCB板的散热元件上安装散热器，可以通过散热器的扩散面积和散热风扇的风力来增加散热效果。

散热器通常由铝合金或铜制成。

4.散热膏：在高功耗元件和散热器之间使用散热膏可以提高导热效果。

散热膏的主要成分是硅油或聚合物，具有良好的导热性能。

5.PCB板设计优化：通过合理的电路布局和优化导线走向，可以减少电路板内部的热量堆积，提高散热效果。

6.板材选择：选择导热性能好的PCB板材料，如金属基板（如铝基板、铜基板等），可以提高热传导效果。

7.强制散热：利用风扇或气流，将空气强制引导到PCB板的散热元件上，增强散热效果。

这种方法适用于功耗较高的电子器件。

8.采用热管：热管是一种利用液体的蒸发冷凝过程来传导热量的器件，可以将热量从高温区域传递到低温区域，进一步提高散热效果。

9.线路板厚度增加：增加PCB板的厚度可以增加板层之间的热容量，降低热量堆积的风险，提高散热效果。

10.外部散热元件：在PCB板附近增加散热元件，如散热风扇或散热片等，可以进一步增加散热面积和风力，提高散热效果。

综上所述，PCB散热是一门综合性的技术，需要从多个角度综合考虑。

通过合理的散热方法和设计优化，可以有效降低电子产品的工作温度，提高其性能和可靠性。

散热器尺寸设计计算方法

散热器尺寸设计计算方法

散热器尺寸设计计算方法1.散热器面积计算：散热器的面积是散热效果的关键因素之一、根据散热器的材料、形状和工况要求，可以计算出散热器需要的面积。

常用的计算公式如下：A=Q/(U*ΔT)其中，A为散热器面积（m^2），Q为需要散热的功率（热量，W），U为散热器的总传热系数（J/(m^2·s·K)），ΔT为散热器的温差（K）。

2.散热器尺寸计算：散热器的尺寸也是影响散热效果的重要参数。

常用的尺寸设计计算方法有以下几种：（1）翅片间距计算：翅片间距是翅片散热器的一个重要参数，影响散热器的散热面积。

一般情况下，翅片间距需要与相邻的翅片高度相等，以确保散热面积充分利用。

翅片间距计算公式如下：S=H/(N+1)其中，S为翅片间距（m），H为散热器的高度（m），N为翅片数量。

（2）翅片厚度计算：翅片厚度会影响散热器的散热效果和机械强度，一般情况下，翅片厚度越小，散热效果越好。

根据散热器的散热面积和翅片的数量，可以计算出翅片的厚度。

翅片厚度计算公式如下：T=A/(N*L)其中，T为翅片厚度（m），A为散热器的面积（m^2），N为翅片数量，L为散热器的长度（m）。

（3）散热管直径计算：散热管的直径也是散热器的一个重要尺寸参数。

直径越大，散热效果越好，但同时也会增加材料成本。

根据散热器的总传热系数和散热管的数量，可以计算出散热管的直径。

D=sqrt((4Q)/(P*π*N))其中，D为散热管的直径（m），Q为需要散热的功率（W），P为散热管的壁厚（m），N为散热管的数量。

除了上面介绍的计算方法，根据具体的散热要求和特殊情况，也可以采用一些其他的尺寸设计计算方法。

需要根据实际情况选择合适的计算方法，确保散热器的散热效果和稳定性。

散热设计方案

散热设计方案

散热设计方案随着科技的不断发展，现代电子设备的性能越来越强大，处理器、图形芯片、服务器等的功耗也在不断增加。

而高效的散热设计方案是保证设备正常运行的关键。

本文将探讨一些散热设计方案，以满足不同设备的散热需求。

1. 散热原理在谈论散热设计方案之前，我们首先需要了解散热的原理。

散热的主要方式有三种：传导、传导和对流。

热传导是指热量通过物体中的分子传播的过程。

热辐射则是指物体通过辐射热量。

最后，热对流是热量通过流体（一般是空气）的对流传递。

2. 散热设计方案的基本要素一个高效的散热设计方案需要考虑以下几个基本要素：(1) 散热器：散热器是散热设计中最重要的组件之一。

它通过增加散热表面的面积来提供更大的热量交换。

通常，散热器由金属制成，如铝或铜，因为金属能更好地导热。

(2) 风扇：风扇通过增加空气流动来加速散热器上的热量交换。

风扇的大小和转速应根据设备的散热需求进行选择。

同时，风扇的噪音和功耗也是需要考虑的因素。

(3) 散热剂：散热剂是指在散热过程中使用的介质。

常见的散热剂包括水，空气和液态金属。

选择散热剂时需要考虑其导热性、稳定性和使用环境的特殊要求。

3. 不同设备的由于不同设备的功耗和散热需求不同，其散热设计方案也会有所不同。

以下是几种常见设备的散热设计方案：(1) 个人电脑：个人电脑通常采用散热器和风扇的组合来散热。

在高性能游戏机箱中，设计师通常会使用大型散热器和两个或更多的风扇来确保足够的散热。

(2) 服务器：服务器使用散热塔来提供更大的散热表面积。

服务器散热器通常由许多薄片组成，以增加热量交换效果。

此外，服务器通常采用双风扇设计，以确保足够的空气流动。

(3) 汽车发动机：汽车发动机的散热设计方案通常包括散热器、风扇和循环液。

散热器通过将发动机冷却液流过散热器来散热。

风扇可以通过增加空气流动来加速散热。

循环液则用于在发动机和散热器之间传递热量。

4. 创新的随着科技的进步，一些创新的散热设计方案正在不断涌现。

散热器设计方法

散热器设计方法

散热器设计1.常用散热器介绍对于安装在PCB表面的元器件来说，其内部热量主要通过热传导的方式进入PCB和元器件表面，之后通过对流换热和热辐射的方式进入周围环境；由于元器件表面的面积要远小于PCB表面积，所以通过元器件表面散热的热量相对较少，因此我们在元器件表面安装散热器，使得元器件上方的散热面积得到扩展（如上图所示），更多热量通过热传导的方式进入元器件上表面，之后再由散热器进入周围环境中。

散热器的材料、加工工艺和表面处理是散热器生产的三个重要因素，会影响到散热器的性能和价格。

1.1散热器材料散热器的材料主要有：铝、铝合金、铜、铁等。

铝是自然界中存储最丰富的金属元素，而且质量轻、抗腐蚀性强、热导率高，非常适合作为散热器的原材料。

在铝中添加一些金属形成铝合金，可以答复提升材料的硬度。

在上章的材料介绍中，我们知道铜的导热率是最好的（比铝高将近一倍），但是它的密度也比铝要大3倍，所以相同体积的散热器要比铝重很多；铜存在着加工难度大、熔点高、不易挤压加工以及成本高等缺点，所以铜散热器的应用要比铝合金少很多，但是随着对电子产品性能要求的越来越高，导致单位体积的功耗大幅增加，所以铜材料散热器的应用越来越多。

1.2散热器加工工艺散热器的加工工艺主要有CNC、铝挤、压铸、铲齿、插齿、扣Fin。

1. 铝挤型：铝挤型散热器是将铝锭加热至460℃左右，在高压下让半固态铝流经具有沟槽的挤型模具，挤出散热器的初始形状，之后再进行切断和进一步加工。

——铝挤型工艺无法精确保证散热器的平面度等尺寸要求，所以通常后期还需要进一步加工。

1, 铝挤型散热器模具成本可以分摊到每一个散热器中，对于大批量产的应用成本较低；2, 齿片高度和齿片间距的比值（Z/X）有限制，通常不建议超过15。

2. 压铸：压铸是一种将熔化合金液体在高压的作用下高速填充钢制模具的型腔，并使合金液体在压力下凝固而形成铸件的加工方法；压铸散热器如下图所示，其尺寸不够精确、表面不光洁（热辐射小）以及星体复杂等特点，后期需要进一步加工；1, 压铸散热器的成本主要在于压铸模具、原材料、机加工和表面处理等，其模具成本较高，适合大批量生产的场合（分摊模具成本）；2, 压铸散热器形态比铝挤压性散热器更加多样性，但是散热性能相对更差；3. 铲齿：铲齿是将长条状金属板材通过机械动作，成一定角度将材料切除片状并进行校直，重复切削形成排列一直的翅片结构，如下图所示；铲齿散热器没有模具费用，适用于小批量生产需要的场合，其生产成本主要是：原材料、铲齿加工、CNC加工、表面处理等，铝合金和铜是常用的铲齿散热器材料。