热设计的基础知识与规范

第二章   热设计基础知识

2.1某些基本概念
2.1.1 温升
　　指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差。如果忽略温度变化对空气物性
的非线性影响，可以将一般环境温度下（如空调房27℃）测量获得的温升直接加上最
高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度。例如在空调房内测得某器件温升
为40℃，则在55℃最高环境温度下该器件的温度将为95℃。
2.1.2 热耗
　　指元器件正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗，功耗指器件的输入功率。
一般电子元器件的效率比较低，大部分功率都转化为热量。计算元器件温升时，应根
据其功耗和效率计算热耗，当仅知道大致功耗时，对于小功率设备，可认为热耗等于
功耗，对于大功耗设备，可近似认为热耗为功耗的75%。其实为给设计留一个余量，
有时直接用功耗进行计算。但注意电源模块的效率比较高，一般为70%~95%，对于同
一个电源模块，输出功率越小，效率越低。
2.1.3 热流密度
2
　　单位面积上的传热量，单位W/m 。
2.1.4 热阻
         热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了
1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传热路
径上的温升。
　　可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电
压，则热阻相当于电阻。
　　以下是一些单板元器件热分析使用的重要热阻概念，这些热阻参数一般由元器件
生产厂商根据标准实验测量提供，可在器件的用户说明书中查出：
2.1.4.1 结至空气热阻Rja：元器件的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的
总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。
2.1.4.2 结至壳热阻Rjc：元器件的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与#p#分页标题#e#
壳的温差。
2.1.4.3 结至板热阻Rjb：元器件的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即
获得结与单板间的温差。
2.1.5 导热系数
表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的
导热量，单位为W/m.K或W/m.℃
2.1.6 对流换热系数
        反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单
2 2
位时间通过单位面积的热量，单位为W/m .K或W/m .℃
2.1.7 层流与紊流(湍流)
        层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，热阻大，流动阻力小；
        紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，热阻小，流动阻力大。层
流与紊流状态一般由雷诺数来判定。在热设计中，尽可能让热耗大的关键元器件周围
的空气流动为紊流状态，因为紊流时的换热系数会是层流流动的数倍。
2.1.8 流阻
        反映流体流过某一通道时所产生的静压差。单位帕斯卡或In. water
2.1.9 黑度
        实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，在0~1之间。它取决于物体种
类、表面状况、表面温度及表面颜色。表面粗糙，无光泽，黑度大，辐射散热能力
强。
2.1.11雷诺数Re(Reynlods)
       雷诺数的大小反映了空气流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流
体流态的一个相似准则数。其定义一般为
式中u为空气流速，单位m/s； D为特征尺寸，单位m，根据具体的对象结构情况取
2
值； 为运动粘度，单位m /s。
2.1.12 普朗特数Pr(Prandtl)
        普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则数。空气的Pr数可直接根据
定性温度从物性表中查出。
2.1.13 努谢尔特数Nu(Nusseltl)
       反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似
准则数。其定义一般为
2
h为换热系数，单位W/m .℃；D为特征尺寸； 为导热系数，单位W/m.℃。
2.1.14 通风机的特性曲线
        指通风机在某一固定转速下工作，静压随风量变化的关系曲线。当风机的出风口
完全被睹住时，风量为零，静压最高；当风机不与任何风道连接时，其静压为零，而
风量达到最大
2.1.15 系统的阻力特性曲线      
        系统(或风道)的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压降随空气流量变化
的关系曲线，与流量的平方成正比。
2.1.16 通风机工作点
        系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。
2.1.17 速度头
　　一般使用空气的动压头来作为电子设备机箱压降的惯用基准，其定义为
为空气密度，u为空气流速。风道中空气的静压损失就由速度头乘以阻力损失系数获
得。
2.2 热量传递的基本方式及传热方程式
        热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三
种形式同时出现
2.2.1导热的基本方程：
　　导热是在同一种介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。
                                                                                             (2-1)#p#分页标题#e#
2
        λ—- 导热系数，W/m.K或W/m.℃;     A导—  导热方向上的截面面积，m
          —- x方向上的温度变化率，℃;    R导—–  导热热阻, ℃/W
　　根据方程的形式，可以看出，要增强散热量，减小温升，可以增加导热系数，选
用导热系数高的材料，如铜（约360W/m℃）或铝（约160W/m℃）；增加导热方向上
的截面积；减小导热方向上的路径。
2.2.2 对流的基本方程：
　　对流是由流体与流体流经的固体表面之间存在的温差产生的换热现象。
                                                                                (2-2)
2 2 2
         h—- 对流换热系数，W/m .K或W/m .℃;  A对—  有效对流换热面积，m
        tw—- 热表面温度，℃;                                 ta—- 冷却空气温度，℃;           
        R对流—–  对流热阻, ℃/W
　　由方程可见，要增强对流换热，可以加大换热系数和换热面积。
2.2.3 辐射的基本方程：

—- 系统黑度，     
             ε1，ε2—-分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体表面（如机壳内表
面）的黑度;     
              F12—— 表面1到表面2的角系数。即表面1向空间发射的辐射落到表面2的百分
数。
2
                A1 —物体1的有效辐射面积，m ;     
　　　　 T1, T2–分别为物体1和物体2的绝对温度，K
　　由方程可见，要增加辐射换热，可以提高热源表面的黑度和到冷表面的角系数，
增加表面积。
2.3 增强散热的方式
　　以下一些具体的散热增强方式，其实就是根据上述三种基本传热方程来增加散热
量的：
2.3.1 增加有效散热面积。如在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料
导到PCB板中，利用周围PCB板的表面散热。
2.3.2 增加流过表面的风速，可以增加换热系数。
2.3.3破坏层流边界层，增加扰动。紊流的换热强度是层流的数倍，抽风时，风道横截
面上速度分布比较均匀，风速较低，一般为层流状态，换热避面上的不规则凸起可以
破坏层流状态，加强换热，针状散热器和翅片散热器的换热面积一样，而换热量却可
以增加30%，就是这个原因。吹风时，风扇出口风速分布不均，有主要流动方向，局
部风速较高，一般为紊流状态，局部换热强烈，但要注意回流低速区换热较差。
2.3.4 尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶（绝缘性能好）或铝
箔等材料。
2.3.5 设法减小散热热阻。在屏蔽盒等封闭狭小空间内的单板器件主要通过空气的受限#p#分页标题#e#
自然对流和导热、辐射散热，由于空气的导热系数很小，所以热阻很大。如果将器件
表面和金属壳内侧通过导热绝缘垫接触，则热阻将大大降低，减小温升。
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第三章  自然对流换热

　　当发热表面温升为40℃或更高时，如果热流密度小于0.04W/cm  ，则一般可以通
过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮升
力使空气不断流过发热表面，实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备，所以不
需要维护，成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热，应尽量
不使用风扇。
3.1 自然对流热设计要考虑的问题
　　如果设计不当，元器件温升过高，将不得不采用风扇。合理全面的自然对流热设
计必须考虑如下问题：
3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件时，应将不耐热的元件放在靠近进风口的位
置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温元件，以避免辐射的
影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔开；
将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部； 一般应将热流密度高的元
器件放在边沿与顶部，靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进风
口附近，注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；大功率的
元器件尽量分散布局，避免热源集中； 不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使风阻
均布，风量分布均匀。
　　单板上元器件的布局应根据各元件的参数和使用要求综合确定。
3.1.2 是否有足够的自然对流空间。 元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持
一定距离，通常至少13mm，以利于空气流动，增强对流换热。一些具体的参考距离尺
寸如下：
3.1.2.1 对相邻的两垂直发热表面，d/L=0.25，如图3-1-(a)所示;
3.1.2.2 对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm, 如图3-1-(b)所示;
3.1.2.3.对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85, 如图3-1-(c)所示;
3.1.2.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7, 如图3-1-(d)所示;
3.1.2.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65, 如图3-1-(e)所示;

图3 自然对流时元器件排列的距离关系
竖直放置的电路板上的元件与相邻单板之间的间隙至少为19mm。进出风口应尽量远#p#分页标题#e#
离，避免气流短路，通风口尽量对准散热要求高的元件。
3.1.3 是否充分运用了导热的传热途径。由于自然对流的换热系数很低，一般为
2
3~10W/m ℃，元件表面积很小或空间较小无法充分对流时，散热量会很小，这时应尽
量采用导热的方式，利用导热系数较高的金属或导热绝缘材料（如导热硅胶，云母，
导热陶瓷，导热垫等）将元件与机壳或冷板相连，将热量通过更大的表面积散掉。
3.1.4 使用散热器。对于个别热流密度较高的元器件，如果自然对流时温升过高，可以
设计或选用散热器以增加散热表面，设计选用方法见第5章。
3.1.5 是否充分运用了辐射的传热途径。高温元件可以通过辐射将部分热量传递给机
壳，机壳对辐射热的吸收强度和表面的黑度成正比。表面粗糙度越高，黑度越高，而
颜色对黑度的影响并不如人们一般认为的那样明显。当机壳表面涂漆，黑度可以达到
很高，接近1。在一个密闭的机盒中，机壳内外表面涂漆比不涂漆时元件温升平均将下
降10%左右。
3.1.6 其他的冷却技术。如果高热流密度元器件附近的空间有限，无法安装大散热器，
可以采用冷管，将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置。
　　综合考虑上述问题时，将会有许多不同的结构布局方案，用一般的理论公式较难
分析有限空间的复杂流动和换热，也难以比较方案的好坏。最好采用热设计仿真分析
软件对机箱/盒建模划分网格并计算，然后可以方便地改动布局方案再次计算，比较不
同方案的计算结果，即可获得最佳的或满足要求的方案。国外许多通信公司都采用这
种软件帮助新产品的热设计，使一些产品避免采用风扇散热。

3.2 自然对流换热系数的计算
　　电子设备的自然对流通常属于层流状态，可以采用如下实验关联式计算
                                                         (3-1)
C—常数，取决于加热面的形状与位置，由表3-1查出
2
g—重力加速度，9.8m/s                            —空气体积膨胀系数，1/℃
2
Pr—普朗特数                                             —空气运动粘度，m /s
—壁面与空气的温差                           l—特征尺寸，m，计算方法由表3-1查出
—空气导热系数，W/m℃
式中属于空气物性的参数可根据定性温度从空气物性表查出，定性温度可取壁面温度
与空气温度的算术平均值。由于空气物性在常温范围内随温度的变化不大，为方便使
用，将40℃时的值代入上式，得如下简单关联式
                                                               (3-2)
表3-1  常数C的典型值与特征尺寸的取值方法
加热面的形状与位置 C 特征尺寸l
垂直的板、圆柱体、管 0.56 垂直高度（如果大于#p#分页标题#e#
0.6m，则取0.6）
水平的圆柱体或管 0.52 直径
水平板，加热面朝上 0.52
水平板，加热面朝下 0.26
形状不规则的小元件或线 1.45 直径
（如晶体管、电阻、继电
器、小型变压器）
算例：某交换机插框电路板垂直放置，间距25.4mm，单板尺寸233.3mmX280mm（高
X深），每个单板功耗为11.5W，初步估算可认为热耗在单板上均匀分布，空气温度
27℃，求单板平均表面温度。
解：由于电路板面对面安装，相互间的辐射换热互相抵消，元件到机壳的角系数很
小，辐射可以忽略。插框采用塑胶滑道，导热可以忽略。单板主要换热方式为对流，
可采用式2-2计算
式中换热系数h可按垂直平板的情况由式3-2计算，查表3-1，C为0.56，特征尺寸l为单
板高0.233m，将参数代入式3-3，得
解得 ，故单板平均温度为 。
　　电子元件的引线穿过电路板，在背面与印制敷铜导线用锡焊焊牢，部分热量将通
过引线导到单板的背面。实验表明，PCB板背面能增加有效传热面积约达30%。将上
面计算中使用的面积增大为1.3倍，单板温度为55.3℃。
　　注意到单板的平均热流密度为 ，一般初步估
计分析对象是否可以采用自然对流散热的方式时，可以先根据其热流密度是否小于
2
0.04W/cm 来判断。