电子设备热设计基本知识(ppt 51页)

F12 —— 两物体表面的角系数。
c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— x方向的温度变化率，℃/m。 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相
反。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
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。

热 源
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热 沉
电子产品热设计原理和原则
热传递方式 墙壁 空气
3 热能传递只有 种方式: 辐射、传导、对流
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电子产品热设计原理和原则
各种散热方式的影响因素
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电子产品热设计原理和原则
➢传导散热
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自然散热主要由两部分组成：辐射换热+自然对流。其中辐射换热占的 比例20~50%左右（跟物体温度及表面处理有关） 自然散热时，可以假设热交换系数10w/m2. ℃
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电子产品热设计原理和原则
自然对流换热系数
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电子产品热设计原理和原则
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电子产品热设计原理和原则
减少热传路径长度措施
芯片封装外壳在保证机电性能前提下尽量薄 ！
越薄越好
导热膏或者导热垫尽量薄 ！
越薄越好
散热片的导热底尽量薄
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越薄越好?
18页进一步 探讨
电子产品热设计原理和原则
选用导热系数高的材料 芯片封装材料
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电子产品热设计原理和原则
常用冷却介质的对流换热系数表
单位：W/m2·℃
介质 空气 水 油 水蒸气 水沸腾
自然对流 5-25
200-1000 -------------------------------2500-25000
强制对流 20-100 1000-15000 50-1500 5000-15000 ------------------

过滤装臵；
● 为提高对流换热程度，可在设备的适当位臵装紊流器。
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常用冷却方法的设计要求
蒸发冷却：
● 保证沸腾过程处于核态沸腾； ● 冷却剂的沸点温度低于设备中发热元器件的最低允许工作温 度； ● 直接蒸发冷却时，电子元器件的安装应保证有足够的空间， 以利于气泡的形成和运动； ● 冷却液应粘度小、密度高、体积膨胀系数大、导热性能好， 且具有足够的绝缘性能； ● 封闭式蒸发冷却系统应有冷凝器，其二次冷却可用风冷或液 冷；冷却系统应易于维修。
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常用冷却方法的选择及设计要求
电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫 液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法（如导热模块－TCM技术、冷板技术，静电致冷等）。
其中自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常
用的冷却方法。
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设计条件
冷却方法的确定
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冷却方法的选择示例
由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的
最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而 依靠空气自然对流冷却就足够了。 若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷 时，可以把机柜表面积减小到0.1m2(自然冷却所需的表面积为
0.75m2)。
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器件工作时内部的结温不能超过降额使用后允许的结温。
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集成电路、晶体管、二极管结温与环境温度的关系
器 件 说 明 结温 TJ=TA+30
小功率 晶体管
中功率
小功率 二极管 中功率 门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器) 集成电路 门数大于30或晶体管大于120(包括所有存储器) 低功耗TTL及 CMOS电路 门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器) 门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器)

对流换热量的计算关系为：
Q t t F tF w f
Q—对流换热量；
tw、tf—壁面和流体的平均温度； F—换热面积，； α —平均对流换热系数，它表示当流体和 壁面的温度差为1℃时，在单位时间内单 位壁面面积和流体交换的热量，它的大小 说明对流换热的强弱。
将上式改写成
在流体和平板的温度不随时间变化 的情况下，整个的传热过程如下： 左边的热流体将热量首先传递给左 侧板面，然后此热量由左侧板面传递 给右侧板面，最后同一热量又由右侧 板面传递给冷流体，可以看作是一个 对流换热-导热-对流换热的综合过程， 从而实现了热量从热流体通过间壁传 递给冷流体的过程。
从热流体到左侧壁面的热传递属于对流换 热过程，其传递的热量为
热设计定义 就是根据传热学的基本原理,采取各种 散热手段，使设备的工作温度不超过其极 限温度，从而保证电子设备在预定的环境 条件下稳定可靠地工作。
热设计分类 按传热机理： 自然冷却 强迫冷却 液体冷却 蒸发冷却

冷却方法的选择 依据：热流密度、表面散热功率系数、 体积发热功率系数 热流密度：单位面积（1平方米）的截面内 单位时间（1秒）通过的热量。 表面散热功率系数：单位面积内所能散发 出去的功率大小。 体积发热功率系数：单位体积内发热功率 的大小。
KF F F 2 F 1
即它是三个热阻的串联， 热流体的对流换热热阻1/(1F)； 平壁的导热热δ /(λ F)； 冷流体的对流换热热阻1/(2F)
热的传递方式
热是物体的内能，称为热能。哪里有 温度差，哪里就有换热现象，就有热 量传递。热量总是自发地由高温物体 传向低温物体。 热能的传递方式主要有三种：热传导、 对流换热、辐射换热。