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电子热设计学习笔记(二)——电子热设计方法

作者:江南体育官方网站 浏览量:721 次 来源:江南电竞官网 时间:2023-12-29 10:49:28

信息摘要:

终于看完了这本《电子设备热设计》,我发现其实这本书可以写的更简洁些,大体分为传热理论基础(包括导

  终于看完了这本《电子设备热设计》,我发现其实这本书可以写的更简洁些,大体分为传热理论基础(包括导热、辐射、对流散热和综合传热)和散热形式(包括气冷、液冷、蒸冷)。我在上一篇文章中把传热学的理论做了笔记,本篇把后面几节整理一下。

  总结完之后发现后面几节分章节有点凌乱,错综复杂,几个章节的大标题都不是一个维度的,导致我的笔记整理的很凌乱,稍微理一下思路。

  电子设备的散热方式分为气冷、液冷、蒸冷,其中气冷又分为自然冷却和强迫冷却,其中自然冷却依靠机壳、导热条、导热板等金属传导散热为主,而强迫冷却分为鼓风、抽风和射流冲击散热,主要是设计风道和风机。

  液冷可大致分为直接液体和间接液冷,也就是元器件是直接浸没在液体中通过管道隔离开冷却液和元器件;另外液冷也包括自然液冷和强迫液冷,自然液冷是通过液体表面的蒸发和液流的导热进行热量传递;强迫液冷是通过泵带动液体进行流动增强换热;

  蒸冷其实就是液体蒸发后,通过蒸汽带走热量,也可大致分为可循环与不可循环,可循环蒸冷是带有冷凝器的,不可循环是需要带有储液器的。

  除了这三种冷却方式外,文中各章节还介绍了一些冷却用的方式、结构或者器件,我大致给归结为三种,一种是散热器,一种是热电制冷,一种是热管。散热器就是将结构设计为翅片、肋片、波纹管等,增加接触面积达到散热目的;热电制冷是通过两端导体通电后一个节点为热端一个节点为冷端进行势能传热,而热管则是通过毛细力取代泵作用的蒸发冷凝冷却的装置。

  最后,下文整理的不堪入目,凑合看,大体思路就是上面讲的这些,其中省略了一些设计计算部分,有兴趣的可以去看原著。

  电子设备的机壳是接收内部热量,并将其散发到周围环境中去的重要结构,对于一些采用自然冷却、密封式的设备来说机壳即为重要的散热结构。

  避免气流短路,进风口低,出风孔高,注意防尘和电磁泄露,进风孔对准发热元器件;

  由于设备内部的电子元器件通常安装密度较高,主要散热手段是金属传导散热,此外,元器件在排布合理的条件下能形成畅通的气流通道,若能在结构上开设进出风孔,则可充分的利用对流交换。最后,还能增加元器件的黑度来增加辐射散热能力,但该方式会导致元器件之间的辐射热传也增强了,所以一般还需要添加热屏蔽/热隔离给热敏元件。

  金属传导散热:由传导散热公式,加快散热需要减小导热热阻R_t=\frac{\delta}{kA},也就是增大传热面积、导热系数,减小热传导距离。

  对流换热:元器件布置上有畅通通道,当几种有限表面自然对流时,为保证有效的换热,他们之间的最小相对尺寸建议为:

  当风冷系统的冷却气流经过多块印制板组件时,为防止气流在印制板组件表明产生边界层影响换热,一般在印制板组件气流流动方向适当位置增加紊流器,如波纹板,能大大的提升冷却空气的流动紊流特性,增强散热。

  抽风冷却的特点是风量大、风压小,各部分风量比较均匀,适用于热量比较分散的整机或机箱。

  射流冲击冷却是以高速气流冲击到散热表面的一种获得高换热系数的冷却方法,适用于平直表面。

  直接液体冷却就是将冷却液体与发热电子元器件非间接接触进行热交换,冷却液体的对流和蒸发是热源散热组要方式。

  原理:电子元器件装在密封机壳内,里面充满冷却液体。发热元器件的热量通过液体自然对流及导热传给液体,液体将吸收到的热量传递给机壳,最后由机壳将热量散发到周围介质中去。

  分类:封闭机箱无蒸发、蒸发但不可循环(要提供补给容器(储液箱),当蒸汽完全用尽需要继续提供液体)、蒸发可循环(循环式的冷凝器放在机箱内、外均可)

  特点:比风冷的对流热阻低一个数量级,但是对冷却液有较高要求,同时机箱需要密封且具备足够强度,对设备的维修也会造成一定的问题。

  原理:强迫液体冷却系统由一个低压泵带动冷却剂流经电子元器件,元器件完全浸没在冷却剂中(如硅油、变压器油),当冷却剂吸收热量后进入气-液交换器被冷却,再由泵输送回系统中形成循环。为了尽最大可能避免液体膨胀影响,用膨胀箱来减少系统的蒸汽堵塞。

  液态物质气化时,一方面在表面蒸发,另一方面在液体内部沸腾,这两个过程都需要吸热。蒸发冷却系统由发射管、蒸发锅、冷凝器、水位控制箱、压力连锁开关以及各种管系等组成。

  原理:当蒸发锅里的发射管工作时,将自身耗散的热量传给水,水达到饱和温度后开始沸腾变成气化,蒸汽经汽室上升沿着蒸汽供热管道进入冷凝器,冷凝水沿水管道又返回蒸发锅,形成一个循环。

  冷流体在管内流动,热流体在管外流动,两种流体在管面上进行热交换,结构型式可以多种多样,根据内外冷、热流体流向不同可以氛围顺流、逆流、叉流和往复流四种。

  冷板是一种单流体的热交换器,通常将元器件封装在冷板上,冷板本身由液体冷却充当热交换器。如图(a)扁管式冷板,由两块金属平板在相应位置冲压成凹槽,再将滚焊将两板焊成一个整体,两个凹槽对接在一起,形成冷却液体流通的通道,这种结构可以做的十分紧凑;图(b)是板翘式冷板,可以用作大功率器件的冷却装置。

  气冷式冷板由盖板、底板、左右封端和肋片组成,肋片是冷板主要结构,通过增大传热面积达到提升传热的目的,材料通常为导热系数大的铝或铜,结构及形式有平直型、波形锯齿形、多孔性。

  液冷式冷板是在基材上设有冷却液通道,通过液体换热实现热量的传递。通常选用导热性好的铜、铝等板材,液体冷却剂流动通道的孔型选用圆形或方形。

  储热式冷板是在冷板上涂抹或填装具有高溶解热的相变材料,其受热溶解时吸收冷板上电子器件所耗散的热量。

  冷板传热性能好,体积小、质量轻,常用在机载、星载电子设备,更多是充当一种散热结构件,配合其他散热结构和方式一起组合使用。

  泵是用来输送冷却液体并使其在冷却系统中循环的动力装置,常用往复泵、齿轮泵、叶片泵、离心泵、轴流泵等.

  热电制冷是用特制的N型和P型半导体用铜连接片焊接形成的一组电偶对,当直流电从N型流向P型时,载流子由较低的势能变向较高的势能时,吸收外界热量,2和3端的铜连接片上吸热(冷端),反之则放出热量,故1,4端的铜连接片上放热(热端)。

  热电制冷的吸热和放热是由载流子流过节点时势能变化而引起能量传递过程,上部金属片冷却,下部连接片放热,这种温差电效应是由同时发生的五种效应组成的。

  热电致冷器由热电堆、冷板、散热器组成。冷板在电堆的冷端,有肋片式、平板式;散热器安装在电堆的热端,有强迫风冷、强迫水冷和自然冷却方式。该结构一定要保证冷板、制冷电偶堆、散热器三者满足导热和电绝缘要求。

  (3)调节方便:电流的大小来调节制冷量和冷却速度,电流方向能改变冷热源位置

  热管是一根被抽成真空的管子,管子内部有充满液相工质的毛细管心,整个热管可分为蒸发段、绝热段、冷凝段。热管未工作时,工质液面与管心平齐,当发热元件与蒸发段接触后,热量传给了管壁、管心和工质,工质受热后吸收热量成为蒸汽,蒸汽压力高于冷冷凝段,两端形成压力差,驱使蒸汽从蒸发段流动到冷凝段,达到冷凝段的蒸汽冷却释放热量,由于蒸发段到冷凝段的毛细孔内弯月面形成毛细泵力,将冷凝液抽回蒸发段,完成了工作循环。

  (2)热管表面温度分布受蒸汽温度分布、相变温差和毛细心温差,由于蒸汽流动和相变时温差很小,因此热管表面温度梯度很小,等温性好;

  热管工作时候的温度选在工质的沸点附近,同时工作液要在其工作时候的温度范围内有较好的耐热性和较大的毛细提升高度,常用的毛细升高系数H为: