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1、第二章第二章 电子设备的热设计电子设备的热设计第一节第一节 概述概述热设计概述热设计概述热设计原因热设计原因 电子设备工作时，输出功率往往只占输电子设备工作时，输出功率往往只占输入功率的一部分，其功率损失一般都以热能入功率的一部分，其功率损失一般都以热能形式散发出来。另外设备的温度与周围环境形式散发出来。另外设备的温度与周围环境温度也有密切联系，当环境温度较高时，设温度也有密切联系，当环境温度较高时，设备工作时所产生的热能难以散发出去，将使备工作时所产生的热能难以散发出去，将使设备温度提高，若温度超出了元器件的极限设备温度提高，若温度超出了元器件的极限温度，就会引起设备工作状态的改变，缩短温度
2、，就会引起设备工作状态的改变，缩短使用寿命，甚至损坏。使用寿命，甚至损坏。热设计定义热设计定义 就是根据传热学的基本原理就是根据传热学的基本原理,采取各种采取各种散热手段，使设备的工作温度不超过其极散热手段，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。条件下稳定可靠地工作。n n热设计分类热设计分类按传热机理：按传热机理：自然冷却自然冷却 强迫冷却强迫冷却 液体冷却液体冷却 蒸发冷却蒸发冷却冷却方法的选择冷却方法的选择 依据：热流密度、表面散热功率系数、依据：热流密度、表面散热功率系数、体积发热功率系数体积发热功率系数
3、 热流密度热流密度：单位面积（：单位面积（1平方米）的截面内平方米）的截面内单位时间（单位时间（1秒）通过的热量。秒）通过的热量。表面散热功率系数表面散热功率系数：单位面积内所能散发：单位面积内所能散发 出去的功率大小。出去的功率大小。体积发热功率系数体积发热功率系数：单位体积内发热功率：单位体积内发热功率 的大小。的大小。热的传递方式热的传递方式热是物体的内能，称为热能。哪里有热是物体的内能，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量传递。热量总是自发地由高温物体传向低温物体。传向低温物体。热能的传递方式主要有三种：热能
4、的传递方式主要有三种：热传导热传导、对流换热对流换热、辐射换热辐射换热。v热传导热传导l指物体内部或两物体接触面间的热能交换。指物体内部或两物体接触面间的热能交换。l就一固体而言，这种换热过程是指热量由就一固体而言，这种换热过程是指热量由固体的高温区域转移到低温区域。不同固固体的高温区域转移到低温区域。不同固体之间的导热过程只有在它们接触时才有体之间的导热过程只有在它们接触时才有可能发生，由高温物体传向低温物体。可能发生，由高温物体传向低温物体。l在气体和液体中进行单纯的导热过程时，在气体和液体中进行单纯的导热过程时，它们的内部必须没有宏观的相对移动。它们的内部必须没有宏观的相对移动。以单层平
5、壁的导热过程为例，得出以下以单层平壁的导热过程为例，得出以下公式：公式：Q Q-单位时间内传递的热量，称热流量；单位时间内传递的热量，称热流量；tt-平壁两侧面的温度差；平壁两侧面的温度差；-平壁的厚度；平壁的厚度；F F-平壁的面积；平壁的面积；-比例常数，表征材料的导热性能，称比例常数，表征材料的导热性能，称为导热系数。为导热系数。将上式改写为将上式改写为 此式类似于欧姆定律的表示式：此式类似于欧姆定律的表示式：I=U/RI=U/R故我们将故我们将/(F)称为该平壁导热的热阻。称为该平壁导热的热阻。热阻热阻是是指指单单位位时时间间内内传递单传递单位位热热量所需量所需的温度差，起阻止的温度差
6、，起阻止热热量量传递传递的作用。的作用。热阻还可以串联、并联等。热阻还可以串联、并联等。利用热传导散热的主要措施有：利用热传导散热的主要措施有：1 1）选用导热系数大的材料制造导热零）选用导热系数大的材料制造导热零件，可降低热阻。件，可降低热阻。2 2）扩大热传导零件间的接触面积和压）扩大热传导零件间的接触面积和压力，接触面应光滑平整。力，接触面应光滑平整。3 3）尽量缩短热传导路径，同时，导热）尽量缩短热传导路径，同时，导热路径中不应有绝热或隔热元件。路径中不应有绝热或隔热元件。v对流换热对流换热指流体（气体或液体）与固体表面直接指流体（气体或液体）与固体表面直接接触时，由于温差引起的相互之
7、间的热接触时，由于温差引起的相互之间的热能传递过程。能传递过程。在流体内部，作为热载体的流体微团发在流体内部，作为热载体的流体微团发生热对流，在对流过程中微团又和周围生热对流，在对流过程中微团又和周围接触的流体进行热传导，即接触的流体进行热传导，即在流体内部在流体内部进行着热对流和导热的综合过程。进行着热对流和导热的综合过程。对流换热是一个复杂的换热过程。对流换热是一个复杂的换热过程。对流换热量的计算关系为：对流换热量的计算关系为：Q Q对流换热量；对流换热量；t tw w、t tf f壁面和流体的平均温度；壁面和流体的平均温度；F F换热面积，；换热面积，；平均对流换热系数，它表示当流体和平
8、均对流换热系数，它表示当流体和壁面的温度差为壁面的温度差为11时，在单位时间内单时，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。说明对流换热的强弱。将上式改写成将上式改写成 对流换热的热阻为对流换热的热阻为1 1/(/(F)F)。利用对流散热的主要措施利用对流散热的主要措施 1 1）加大温差。）加大温差。2 2）加大散热面积，采取有利于对流）加大散热面积，采取有利于对流散热的散热器和安装位置。散热的散热器和安装位置。3 3）加大对流介质的流动速度，选择）加大对流介质的流动速度，选择有利于对流换热的流体介质，以带走更有利于对流换热的流
9、体介质，以带走更多的热量。多的热量。v辐射换热辐射换热是指温度不同的两个是指温度不同的两个（或两个以上或两个以上）物体间物体间相互进行的辐射和吸收所形成的换热过程。相互进行的辐射和吸收所形成的换热过程。习惯上仅将和温度有关的辐射称为热辐射。习惯上仅将和温度有关的辐射称为热辐射。波长在波长在0.1-40 m范围内的射线就具有这种性范围内的射线就具有这种性质，这一范围内的射线称为热射线。质，这一范围内的射线称为热射线。辐射换热与导热和对流换热不同，导热和对辐射换热与导热和对流换热不同，导热和对流换热仅发生冷、热物体接触时，而辐射不流换热仅发生冷、热物体接触时，而辐射不需如此，因为辐射能可以在真空中
10、传播。需如此，因为辐射能可以在真空中传播。在在单单位位时时间间内内物物体体的的单单位位面面积积向向外外放放射的能量，即辐射力为射的能量，即辐射力为 T-T-物体的绝对温度；物体的绝对温度；C-C-辐辐射射系系数数，它它和和物物体体的的性性质质、表表面面状状况况等等因因素素有有关关，说说明明物物体体向向外外辐辐射射能量的能力。能量的能力。n两物体间的辐射换热量：两物体间的辐射换热量：利用热辐射来散热的主要措施有：利用热辐射来散热的主要措施有：1 1）在零、部件或散热片上涂覆黑色）在零、部件或散热片上涂覆黑色或有色粗糙的漆或有色粗糙的漆,以增强辐射能力。对热以增强辐射能力。对热敏感元件的表面应做成
11、光亮的表面，以敏感元件的表面应做成光亮的表面，以减小吸收辐射热。减小吸收辐射热。2 2）加大辐射体的表面积。）加大辐射体的表面积。3 3）加大辐射体与周围环境的温差。）加大辐射体与周围环境的温差。v传热过程传热过程 以平壁传热为例，假定以平壁传热为例，假定有一个面积为有一个面积为F F的的平壁，其平壁，其厚度为厚度为，导热系数为导热系数为两侧面的温度分别为两侧面的温度分别为t tw w 1 1和和t tw w 2 2，平壁的两边分别，平壁的两边分别是温度较高是温度较高t tf1f1的热流体和的热流体和温度较低的温度较低的t tf2f2冷流体，两冷流体，两边的对流换热系数分别为边的对流换热系数分
12、别为 1 1和和 2 2 。在在流体和平板的温度不随时间变化流体和平板的温度不随时间变化的情况下，的情况下，整个的传热过程如下：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，可以看作是一个板面传递给冷流体，可以看作是一个对流换热对流换热-导热导热-对流换热的综合过程，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从而实现了热量从热流体通过间壁传递给冷流体的过程。递给冷流体的过程。从热流体到左侧壁面的热传递属于对
13、流换从热流体到左侧壁面的热传递属于对流换热过程，其传递的热量为热过程，其传递的热量为由左侧壁面到右侧壁面的热传递属于热传由左侧壁面到右侧壁面的热传递属于热传导过程，其传递的热量为导过程，其传递的热量为由右侧壁面到冷流体的热传递又属于一个由右侧壁面到冷流体的热传递又属于一个对流换热过程，其传递的热量为对流换热过程，其传递的热量为 而又有而又有Q Q1 1=Q=Q2 2=Q=Q3 3=Q=Q 由上面三式可得出：由上面三式可得出：令：令：则：则：其中：其中：由此我们可以看出该传热过程中的由此我们可以看出该传热过程中的总热阻为总热阻为 即它是三个热阻的串联，即它是三个热阻的串联，热流体的对流换热热阻热流体的对流换热热阻1/(1F)；平壁的导热热平壁的导热热/(F)；冷流体的对流换热热阻冷流体的对流换热热阻1/(2F)