熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

任 鵬

（長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 717502)

熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

任 鵬

（長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 717502)

熱傳導(dǎo)及熱量的散失的基本理論是任何設(shè)計(jì)者進(jìn)行熱分析學(xué)的基本知識(shí)。設(shè)計(jì)者只要掌握了熱散失過(guò)程的基本知識(shí)、計(jì)算方法及實(shí)驗(yàn)手段、熱設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)步驟，以及普遍的熱控制方法，就可以解決任何設(shè)備發(fā)熱部分的散熱問(wèn)題。

散熱設(shè)計(jì)；理論基礎(chǔ)；電子設(shè)備

1 熱傳遞方式

熱力學(xué)第二定律指出：熱量總是自發(fā)的、不可逆轉(zhuǎn)的，從高溫處傳向低溫處，即：只要有溫差存在，熱量就會(huì)自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，形成熱交換。熱交換有三種模式：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。它們可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可能兩種或三種形式同時(shí)出現(xiàn)。

2 對(duì)流換熱控制公式方程

2.1 質(zhì)量守恒方程

流體運(yùn)動(dòng)中的質(zhì)量守恒是指流體流過(guò)一定空間流體的總質(zhì)量保持不變，任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律?？刂企w的連續(xù)方程為：

式中，p為流動(dòng)物體質(zhì)量密度，V為流動(dòng)物體質(zhì)量體積，C.V.是空間中流體的控制體，以控制面C.S.為計(jì)算運(yùn)動(dòng)邊界。

2.2 動(dòng)量守恒方程

動(dòng)量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子；既適用于低速運(yùn)動(dòng)物體，也適用于高速運(yùn)動(dòng)物體；它既適用于保守系統(tǒng)，也適用于非保守系統(tǒng)。動(dòng)量守恒定律是任何不受外力時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括流動(dòng)系統(tǒng)都必須遵守的基本定律。此方程可解釋為：作用某控制體內(nèi)流體外力的合力，等于單位時(shí)間內(nèi)流出控制體的動(dòng)量減去單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入控制體的動(dòng)量加單位時(shí)間內(nèi)控制體中的流體動(dòng)量的累積量。對(duì)于控制體的動(dòng)量方程為：

式中，p為流動(dòng)物體密度，V為流動(dòng)物體體積，C.V.是空間中流體的控制體，以控制面C.S.為運(yùn)動(dòng)邊界。

3 各發(fā)熱器件散熱設(shè)計(jì)方法及程序

各種設(shè)備發(fā)熱部位的散熱及傳導(dǎo)設(shè)計(jì)是設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要方面。電子設(shè)備只要通電就有發(fā)熱，是熱源，其產(chǎn)生的熱量等于功率的耗散。耗散功率（發(fā)熱功率）是熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可以采用實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算來(lái)確定。一般都增加安全系數(shù)，保守取值，適當(dāng)取高些。熱設(shè)計(jì)一般是取最惡劣工況：最高環(huán)境溫度和最大熱耗散的情況下設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，電子設(shè)備的散熱及傳導(dǎo)設(shè)計(jì)應(yīng)必須遵守以下幾個(gè)方面及步驟：

1）確定發(fā)熱器件的散熱面積、散熱器或周圍空氣介質(zhì)的環(huán)境溫度極限范圍；

2）確定熱量對(duì)流密度和消散方式；

3）對(duì)少量關(guān)鍵發(fā)熱元器件進(jìn)行應(yīng)力分析，確定其最高允許溫度和功耗，并對(duì)其溫度關(guān)系下的失效率加以分析；

4）按照發(fā)熱器件及整個(gè)設(shè)備的安裝方式進(jìn)行熱密度的計(jì)算；

5）由器件內(nèi)熱阻確定其表面最高工作溫度；

6）計(jì)算器件到最終散熱面之間的總體熱阻礙值；

7）根據(jù)熱量產(chǎn)生量度等因素對(duì)熱阻礙進(jìn)行計(jì)算與分配，并對(duì)此加以評(píng)價(jià)，確定熱傳導(dǎo)方式和冷卻方式。

4 電子設(shè)備冷卻散熱方式

4.1 放置自然冷卻

放置自然冷卻是散熱、對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合，優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，成本低。放置自然冷卻受外界環(huán)境影響較大，在傳導(dǎo)路徑中容易有阻礙熱傳導(dǎo)的障礙物存在，增加熱傳導(dǎo)阻力從而使空氣換熱的傳導(dǎo)速度降低以及空氣的流動(dòng)劑量降低。因此，在設(shè)備以外環(huán)境的干擾的情況下，此冷卻方式是一種比較簡(jiǎn)潔、高效、性價(jià)比高的散熱方式。它不需要風(fēng)機(jī)或傳輸泵等的冷卻劑傳送設(shè)備，避免了因設(shè)備部件的磨損或故障影響系統(tǒng)可靠性的弊端，因此，應(yīng)優(yōu)先考慮選用自然冷卻方法。

4.2 強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻

在強(qiáng)迫風(fēng)冷在中，大功率的密集集成電子設(shè)備以及發(fā)熱量較多無(wú)法靠自然風(fēng)進(jìn)行冷卻的設(shè)備中應(yīng)用較多，因?yàn)樗哂斜茸匀焕鋮s中空氣更高的對(duì)流速度及更大的對(duì)流量，與其他幾種熱傳導(dǎo)方式的強(qiáng)迫冷卻方式相比較，此冷卻方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 液體冷卻液冷卻

4.3.1 直接液體冷卻液冷卻

我們所說(shuō)的直接液體冷卻，就是將設(shè)備電子元器件的發(fā)熱部分與冷卻液直接接觸，進(jìn)行熱量交換，發(fā)熱的元器件將產(chǎn)生的熱量傳到給冷卻液，使自身熱量降低，冷卻液溫度升高，再由冷卻液將多余的熱量散失出去。這樣的冷卻方式適用與熱密度較高或電子元器件集成密度較高的設(shè)備中，該冷卻方式需要對(duì)發(fā)熱元器件及冷卻液的特性較高，冷卻液必須滿足在電子設(shè)備的工作溫度下具有沸點(diǎn)高、不分解、不揮發(fā)等特性，還須滿足冷卻液不影響設(shè)備的功能。

4.3.2 間接液體冷卻液冷卻

間接液體冷卻液冷卻俗稱間接液冷，指冷卻液不與發(fā)熱的電子元器件直接接觸，而是通過(guò)發(fā)熱元器件的外部設(shè)備基板等中間模塊與元器件接觸將產(chǎn)熱的熱傳導(dǎo)給間接冷卻液，冷卻液升溫后再通過(guò)冷卻液表面散失達(dá)到間接冷卻的目的。間接液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要需要發(fā)熱源與中間介質(zhì)之間保持有良好的導(dǎo)熱路徑，盡可能降低熱接觸阻值。此方法冷卻

液不與電子元器件直接接觸可以減少對(duì)電子設(shè)備的污染，且對(duì)冷卻液的要求沒(méi)有直接冷卻液冷卻高，且維護(hù)維修簡(jiǎn)單。

5 結(jié)束語(yǔ)

主要介紹了電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，而要進(jìn)行熱分析或是想成為一名合格的電子散熱設(shè)計(jì)師，這些基礎(chǔ)知識(shí)都是熱設(shè)計(jì)者要熟悉通曉的。只有設(shè)計(jì)者掌握了熱傳導(dǎo)的基本知識(shí)，就能夠按照設(shè)備工作方式及熱量的產(chǎn)生量，設(shè)計(jì)一種或幾種適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的熱傳導(dǎo)冷卻方式，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備熱傳導(dǎo)需要。

[1] 趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

Theoretical Basis of Thermal Design

Ren Peng

The basic theory of heat transfer and heat loss is the basic knowledge of any designer’s thermal analysis.As long as the designer has mastered the basic knowledge of the heat dissipation process，the calculation method and the experimental means，the basic design criteria and design steps of the thermal design，and the general thermal control method，the heat dissipation problem of any heating part can be solved.

thermal design；theoretical basis；electronic equipment

TU323.4

B

1003–6490（2017）11–0220–02

2017–09–09

任鵬（1988—），男，陜西西安人，助理工程師，主要從事設(shè)備管理方面的工作。