换热器原理与设计 课件 第五章 电子设备的自然冷却设计

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1、第五章第一讲电子设备的自然冷却设计自然冷却包括传导、自然对流和辐射换热。具有安全、可靠、价格便宜、维修量小等优点，如满足要求应优先选用。自然冷却用印制板的选取适用于电子设备的印制板的品种较多，为了提高其传热（导热）性能，目前常用的有以下几种散热印制线路板。在印制线路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板在印制线路板上敷有金属导热条的导热条式散热印制板在印制线路板中间夹有导热金属芯的金属夹芯式散热印制板5.2印制板上电子元器件的热安装技术安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。竖直放置、平行排列

2、。印制板的合理间距对于对称的等温竖直平行平板，实验结果表明，两平板的最佳间距为：式中：P——cp——比定压热容，kJ/(kg·℃)；——空气平均密度，kg/m3；g——重力加速度，m/s2；αV——体积膨胀系数，℃-1；Δt——板与空气的温差，℃；μ——空气的动力粘度，Pa·s；λ——空气的导热系数，W/(m·℃)。L——板高度，米其它情况的最佳间距值如下表所示。对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。竖直安装的印制电路板，最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。上述间距下，在71℃

3、的环境中，对于小型印制电路板上热流密度为0.0155W/cm2的组件，其表面温度约为100℃（即温升约为30℃）。自然对流冷却印制电路板耗散功率的许用值为：0.0155W/cm2。5.2.2自然对流换热表面传热系数计算式第93页表5-2机箱加装散热片5.2.3自然对流的换热网络5.2.4自然冷却开式机箱的热设计（开有通风孔）5.2.5自然冷却闭式机箱的热设计5.5电子设备机柜和机壳的设计采用自然冷却的电子设备外壳可作为气流通道。下图所示是电子设备自然散热的路径。可以看出机壳是接受设备内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分，故机壳结构对电子设备的自然冷却显得格外重要。机壳

4、表面的最大热流密度不得超过0.039W/cm2。机柜表面温度不得高于周围环境温度（机房）10℃。外壳必须与底座和支架有良好的导热连接。热路中的大部分热阻存在于接合交界面处。所有金属间的接触面必须清洁、光滑，并且接触面积应尽可能大，且应有足够的接触压力。铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为6.45～25.8cm2·℃/W。金属厚度以0.25～0.5cm为宜。机壳开孔的大小应与冷却空气进、出流速相适应，且压降应小于热空气的浮升压力。进气孔的总面积可按下式计算：式中：A0——进风孔面积，cm2；Φ0——通风孔应散热流量，W；H——自然冷却设备机箱高度，cm；Δt=t2－

5、t1；t2——设备内部空气温度，℃；t1——设备外部周围环境温度。通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风口则应开在机箱侧上端接近顶板处。通风孔的形状、大小可根据设备应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。机箱（或机壳）内、外表面涂漆，在靠近发热元件的机壳顶部、底部或两侧开通风孔等，均能降低内部器件的温度。第二讲电子设备强迫空气冷却设计2.1强迫空气冷却的热计算2.2通风机2.3系统压力损失及计算2.4强迫空气冷却系统的设计2.5通风管道的设计2.6强迫空气冷却的机箱和机柜设计2.1强迫空气冷却的热计算强迫空气冷却换热计算的难点在于固体壁

6、面和空气之间对流换热系数的确定。对流换热系数的大小与流体流动的状态（层流或紊流）、流体的物性参数、换热面的几何形状和位置等有关。判断流体流动状态的准则是雷诺数Re。对于管内流动，当Re≤2200时，流动属层流；当Re＞104时，流动属紊流；中间值时流动属层流向紊流过渡的过渡状态。一、环境的影响环境通过对空气物理特性的影响来改变强迫对流换热过程。空气的导热系数、粘度、比热及密度等均随环境条件而变化。空气的导热系数一般不受压力的影响，只有当压力低于1360Pa时，导热系数随压力降低而降低。导热系数也随温度的降低而降低。空气的动力粘度μ随温度的升高而增大，而不受压力的影响。干燥空气的密度可

7、由下式计算：式中：ρ——空气密度，kg/m3；t——温度，℃；P1——使用大气压力，Pa。二、空气吸收的热流量和质量流量空气吸收的热量可用下式计算：式中：Φ——空气吸收的热流量，W；qm——空气的质量流量，kg/s；cp——定压比热，J/(kg·℃)；Δt——空气的温升，℃。空气的质量流量由下式计算：式中：qm——空气的体积流量，m3/s；ρ——空气密度，kg/m3。三、对流换热在电子设备热设计中的应用流体在管内或槽内流动对非圆形截面管道来说，公式中所用的