热设计

热设计是随着通讯和信息技术产业的发展而出现的一个较新的行业,且越来越被重视。

随着通讯和信息产品性能的不断提升和人们对于通讯和信息设备便携化和微型化要求的不断提升,信息设备的功耗不断上升,而体积趋于减小;同时设计规格也是日益小型化,所有封装级的功率密度都会显著增加,高热流密度散热需求越来越迫切。

热设计的方法一般有理论分析法、热测试法以及热仿真法。

设计概念:综合利用传导、对流及辐射三种换热手段,设计发热源至环境的低热阻通路,以满足设备散热要求的过程称为热设计

热设计的目的是为了保证产品在指定的环境规格条件下正常工作并达到产品的可靠性目标,从而满足对产品各部分温升的限制性要求。热设计目标是可靠性目标的一部份,其主要:

1)系统的集成度越来越高;

2)大功耗器件的广泛使用;

3)系统的大容量和产品体积的小型化要求;

4)环境适应性要求越来越高(如户外产品越来越多)。

“热”对电子可靠性的影响如下:

1)约40%以上的电子产品可靠性(寿命)故障是由温度问题引起的法则:电子零件的温度每上升10度,寿命减少一半。
2)电子器件性能随工作温度的增加而改变(电容影响最明显)。
对流、传导及辐射概

热量总是自发地从高温区传向低温区或从物体高温部分传向低温部分。其共有三种传递方式:
1)传导
2)对流
3)辐射

传导

传导是物体直接接触时, 通过分子间动能传递进行能量交换的现象。
公式:Q = K A △t / L
Q —- 传导散热量, W
K —- 导热系数, W/m·℃
A —- 导体横截面积, m2
△t —- 传热路径两端温差, ℃
L —- 传热路径长度, m
常用材料的导热系数:
铝约180、压铸铝120、铁约40 、铜390(但铜的密度是铝的3倍,重量、价格),石墨是各向异性,x方向是10,Y,Z方向可以达到600,而且重量很轻。
导热系数大,内部温差就小。
热管是一种传热能力极高的结构,其导热系数可达10000以上。
我们常常在芯片与散热器之间增加导热(绝缘)材料,是因为两个表面间凸凹不平,中间有空气,需要用导热性能好的材料填充。材料要求形状适应性好,尽可能薄、压力大(注意芯片能承受的最大压力);
常见的导热介质材料有导热胶、导热硅脂、导热软硅胶垫片、导热云母片、导热相变材料等,适用场合各不相同;
由于导热硅脂的填充性好,在两个比较平的表面上,热阻比其它导热绝缘材料小;
目前常用导热硅脂的导热系数为0.8~1,但也有2、4、5,最大可达10。
 

对流

对流是流体通过一固体表面时发生的流体与固体壁面的换热现象。
公式:Q = hc A △t
        Q —- 对流散热量, W
        hC —- 换热系数, W/m2·℃
        A —- 有效换热面积, m2
       △t —- 换热表面与流体温差, ℃
对流换热量与两个因素有关,表面流速与换热面积。我们使用散热片,实质上就是增加换热面积;
当速度增加到一定程度后,换热量的增加就不是很明显;
通常,在风机强迫冷却的情况,插箱单板间的风速可超过1m/s。

辐射

辐射是通过电磁波传递热量的过程。
公式:Q = ε · σ · T4
              Q —- 辐射散热量, W
              ε —- 散热表面辐射率, W/m2·℃
              σ—- 斯蒂芬-玻尔兹曼常数,  5.67×108(W/m2K4)
              T —- 绝对温度, K
辐射换热主要要求温差大;
辐射率的影响因素:材料、表面粗糙度、波长等;
对户外设备,辐射率大,吸收率也大,因此要注意防辐射的措施;
对于自然散热的情况,必须考虑辐射散热,这时,辐射散热是一种重要的散热方法;对于强迫冷却的设备,可以忽略辐射散热。

5.热设计流程

热设计结构在机械各个行业都有运用。
大部分所谓的热设计指的是散热的设计,但作者也接触过PTC加热产品,其实也是属于热设计的。
依据产品的不同,其结构变动较大,所以就很难有固定的标准。但总体的设计轨迹还是有轨迹可寻的,其细节部分有很多对应的标准及文档资料可以找到。设计这种有轨迹可以遵守的特征,按照总章的流程设计即可。
1)设计要求的明确与分析;(针对事物的问题所在)
2)对症选用合适标准和文档资料;
3)照章办事;
4)专业化的表现;
5)特征优化:书面形式的上升空间;
6)平时的积累,为第二步做准备。

5.1 设计要求的明确与分析;(针对事物的问题所在)

机械也有很多的子行业,不同行业对热设计的要求是非常不一样的。就如作者上述的加热设计和散热设计就不可能相同。
一般对热设计要求有:
1)温度要求;
2)温升等级;
3)压力(或高度);
4)太阳或周围其它物体的辐射热载荷;
5)可利用的热沉状况(包括:种类、温度、压力和湿度等);
6)冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注