第二讲电子设备热设计方法.ppt

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1、第二讲电子设备热设计基本知识一热源和耗散功率电子设备只要通电就有发热，是热源，其产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发热功率）是热设计的基础。可以采用试验和理论计算来确定。一般都增加安全系数，保守取值，适当取高些。热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温度和最大热耗散的情况下设计。耗散功率计算：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

2、有三种方式：导热；对流和热辐射一、导热导热的微观机理气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。导热基本定律——傅立叶定律（一维导热）式中：Φ——热流量，W；λ——导热系数，W/(m·℃)；A——垂直与热流方向的横截面面积，m2；——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。Q图导热热阻的图示t0xdxdtQ导热热阻单位面积导热热阻无限大平板一维导热单层圆筒壁的导热长度为l的圆筒壁的

3、导热热阻实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接触——给导热带来额外的热阻接触热阻减小散热器与器件之间的接触热阻影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或参考实测数据来选择接触热阻。表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可参考表2-4查取。工程中常用的减小接触热阻的主要措施：⑴加大接触表面之间的压力；⑵提高两个接触面的加工精度；⑶接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏等；⑷在结

4、构强度许可的条件下，选用软的金属材料制作散热器或器件的壳体。二、对流可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却公式计算式中：hc——对流换热系数，W/(m2·℃)；A——对流换热面积，m2；tw——热表面温度，℃；tf——冷却流体温度，℃。对流换热热阻：强制对流自然对流柯尔朋传热因子紧凑式换热面表面换热系数计算一、自然对流换热的准则方程式中：Nu——努谢尔特数，Nu=hD/λ；Ra——瑞利数，Ra=Gr·Pr；Gr——格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；Pr——普朗特数；C、n——由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体

5、温度的算术平均值；h——自然对流换热系数，W/(m2·℃)；D——特征尺寸，m；λ——流体的导热系数，W/(m·℃)；β——流体的体积膨胀系数，℃-1；g——重力加速度，m/s2；ρ——流体的密度，kg/m3；μ——流体的动力粘度，Pa·s；Δt——换热表面与流体的温差，℃。二、自然对流换热的简化计算对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可以采用以下简化公式进行计算式中：φ——热流密度，W/m2；A——换热面积，m2；C——系数，由表2-1查得；D——特征尺寸，m；Δt——换热表面与流体

6、（空气）的温差，℃。表2-1自然对流准则方程中的C和n值强迫对流换热的准则方程管内流动及沿平板流动的准则方程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：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。弯管修正其他关联式管内受迫层流换热准则式：Nu=0.15Re0.33Pr0.43Gr0.1(Pr/Prw)0.25流动阻力流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响，使流

7、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。管内层流沿程阻力计算(达西公式)hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ－沿程阻力系数，λ＝64/Re管内紊流沿程阻力计算hf=λ(L/de)(ρV2/2)λ＝f(Re，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

8、经验公式：紊流光滑区：4000