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1、换热器原理与设计换热器原理与设计 课件课件 第二章第二章 电子设备用肋片电子设备用肋片式散热器式散热器通过肋片的导热通过肋片的导热第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热：为了降低元器件温度可以采取哪些措施为了降低元器件温度可以采取哪些措施?减小热阻：减小热阻：a)金金属属壁壁一一般般很很薄薄(很很小小)、热热导导率率很很大大，故故导导热热热热阻阻一一般般可可忽忽略略b)增大增大h1、h2，但提高，但提高h1、h2并非任意的并非任意的c)增大换热面积增大换热面积 A 也能增加传热量也能增加传热量工程中常用的肋片工程中常用的肋片 等截面肋：矩形肋，圆形肋等（
2、图等截面肋：矩形肋，圆形肋等（图2-1a、b）变截面肋：梯形肋，三角形肋等（图变截面肋：梯形肋，三角形肋等（图2-1c、d）国内目前主要采用的散热器系列国内目前主要采用的散热器系列 叉指形散热器叉指形散热器（GB7423.3-87）,如图如图2-2；型材散热器型材散热器（GB7423.2-87）,如图如图2-3。叉指形散热器叉指形散热器适合于中、小功率适合于中、小功率器件的散热；型材器件的散热；型材散热器适合于中功散热器适合于中功率器件的散热率器件的散热。在一些换热设备中，加装肋片是增大换热面积的重要手段在一些换热设备中，加装肋片是增大换热面积的重要手段肋壁：直肋、环肋；等截面、变截面肋壁：直
3、肋、环肋；等截面、变截面2 肋片效率肋片效率 为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果，引进肋片效率为了从散热的角度评价加装肋片后换热效果，引进肋片效率增加的换热面其换热情况不同与基面2.2 肋片散热器的传热性能取如图所示的单个等截面矩形肋进行分析。取如图所示的单个等截面矩形肋进行分析。肋片分析的前提：肋片分析的前提：肋片材料的导热系数肋片材料的导热系数为常数；为常数；肋片表面的对流换热系数肋片表面的对流换热系数为常数；为常数；周围环境温度为常数；周围环境温度为常数；肋高肋高l远大于肋厚远大于肋厚；肋片内部无热源肋片内部无热源。定义肋效率：定义肋效率：在上述分析条件下，通过能量守恒定律及傅立叶导
4、热定律，可以得在上述分析条件下，通过能量守恒定律及傅立叶导热定律，可以得到肋片效率的计算公式为：到肋片效率的计算公式为：对流换热系数；肋片导热系数U 横截面周长；lc 当量肋高；AC 横截面面积。工程中肋片散热量的计算步骤：工程中肋片散热量的计算步骤：计算当量肋高计算当量肋高等截面矩形肋等截面矩形肋三角形肋三角形肋矩形截面环行肋矩形截面环行肋 计算或查肋效率计算或查肋效率 计算理想情况下的肋片散热量计算理想情况下的肋片散热量等截面矩形肋等截面矩形肋三角形肋三角形肋矩形截面环行肋矩形截面环行肋 肋片实际散热量肋片实际散热量图图 214图图 215热阻2.3 肋片散热器设计 一、一、加肋有利条件加
5、肋有利条件 定义毕渥数定义毕渥数理论推导的加肋有利条件理论推导的加肋有利条件：等截面矩形肋和三角形肋等截面矩形肋和三角形肋，实验证实的加肋有利条件，实验证实的加肋有利条件：因此设计肋片时应注意：因此设计肋片时应注意：为了减小为了减小Bi数，肋片材料的数，肋片材料的导热系数应选得大导热系数应选得大，肋片厚肋片厚度以薄为宜度以薄为宜；为了使为了使Bi数小，散热肋片应置于表面传热系数较小的一数小，散热肋片应置于表面传热系数较小的一侧侧（一般宜放在空气侧）（一般宜放在空气侧）。二、针肋散热器二、针肋散热器空气垂直流过空气垂直流过交叉排列圆形和菱形针肋交叉排列圆形和菱形针肋的准则方程的准则方程 式中式中
6、Re=ud/，其中，其中u为空气流速，为空气流速，d为针径，为针径，为空气运动粘度。定性温度取为空气运动粘度。定性温度取针状散热器表面平均温度与环境空气温度的算术平均。针状散热器表面平均温度与环境空气温度的算术平均。针肋的效率：针肋的效率：圆柱形针肋圆柱形针肋：矩形针肋矩形针肋：其中其中d为圆柱形针肋的直径，为圆柱形针肋的直径，U为矩形针肋的横截面周长，为矩形针肋的横截面周长，A为横截面积，为横截面积，为由上面准则方程得出的肋表面对流换热系数，为由上面准则方程得出的肋表面对流换热系数，为肋材料的导热系数。为肋材料的导热系数。三、肋片参数的优化三、肋片参数的优化在工程设计中，肋片高度在工程设计中
7、，肋片高度：过份增加高度，不仅散热量不增加，相反地还将增加肋片重量过份增加高度，不仅散热量不增加，相反地还将增加肋片重量。表表2-1给出了几种肋片（图给出了几种肋片（图2-8）的设计参数值。）的设计参数值。设计肋片时，可参考表设计肋片时，可参考表2-2所列的物理特性参数比较结果所列的物理特性参数比较结果来选用材料。来选用材料。6.4 肋片散热器在工程应用中的若干问题 一、散热器生产、使用的技术要求一、散热器生产、使用的技术要求 一般均选用一般均选用铝材（或铝型材）铝材（或铝型材）作为散热器的材料；作为散热器的材料；为提高散热器的辐射散热能力，其表面应进行为提高散热器的辐射散热能力，其表面应进行
8、提高表面黑度提高表面黑度 的处理的处理，表面颜色可按需要任选；，表面颜色可按需要任选；散热器与功率器件的安装表面应散热器与功率器件的安装表面应光洁、平整光洁、平整。可加。可加导热膏、导热膏、导热脂或导热橡胶片导热脂或导热橡胶片等；等；散热器与安装面之间散热器与安装面之间不应出现跳火、击穿等迹象，其电绝缘不应出现跳火、击穿等迹象，其电绝缘性、耐热性和耐湿性性、耐热性和耐湿性应按有关标准进行检测；应按有关标准进行检测；散热器应按有关标准进行测试，其热阻值不应超过许用偏差散热器应按有关标准进行测试，其热阻值不应超过许用偏差范围。范围。三、合理选用散热器，降低散热器热阻三、合理选用散热器，降低散热器热
9、阻 图图2-11为安装于散热器上的功率器件等为安装于散热器上的功率器件等效热路图：效热路图：其中：其中：功率器件的内热阻，通常由器功率器件的内热阻，通常由器 件的制造厂家提供。范围一般件的制造厂家提供。范围一般 为为 0.82.0 K/W。器件壳体直接向周围环境的换器件壳体直接向周围环境的换 热热阻，称为器件的外热阻热热阻，称为器件的外热阻，其值可由表其值可由表2-5选取。选取。器件与散热器安装面之间的器件与散热器安装面之间的接接触热阻触热阻（参照表（参照表2-4选取）。选取）。散热器热阻散热器热阻。由于由于 远大于其它热阻值远大于其它热阻值，因此总热阻计算式为：，因此总热阻计算式为：设计要求功率器件的结温应满足：设计要求功率器件的结温应满足：减小散热器热阻的措施：减小散热器热阻的措施：合理选用散热器的结构形式合理选用散热器的结构形式 梯形肋热阻三角形肋热阻流线型肋热阻梯形肋热阻三角形肋热阻流线型肋热阻（2）合理选用散热器型式散热板和散热器散热器：叉指形、型材、扇形（第32页）散热器表面的处理散热器表面的处理（4 ）合理的安装方式：）合理的安装方式：安装方式：垫片及接触热阻安装方式：垫片及接触热阻位置位置