热设计和热分析的基础知识培训

1 为什么要进行热设计
    在许多现代化产品的设计,特别是可靠性设计中,热的问题已占有越来越重要的地位:
    电子产品:高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落。从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。这对于无论民用或军用产品都是一个重要问题。
    航天产品,如卫星、载人飞船等,对内部温度环境有非常严格的要求;再如宇航员的装备,既要保证宇航员的周围环境,又要灵活、轻便。对于处于宇宙环境中的产品还要考虑超低温的影响等。
    建筑方面:环保和节能的要求,冬季的保温和夏季的通风、降温等。各种家电产品自身的热设计和对周围环境的影响。实际上,热设计并不是什么新的东西,在日常生活中,在以往的产品中,都有意无意的使用了热设计,只是没有把它提高到科学的高度,仅仅凭经验在做。 比如:在电子产品的设计中,如何合理的布置发热元件,使其尽量远离对温度比较敏感的其它元器件;合理的安排通风器件 (风扇等),通过机箱内、外的空气流动,使得机箱内部的温度不致太高; 还有生产厂房中如何合理安排通风和排气设备,以及空调、暖气设备等,以达到冬季的保温和夏季的通风、降温要求,为工人提供一个较为舒适的工作环境。家居方面,则通过暖气、风扇、空调等为居民提供一个较为舒适的生活环境。
    各种载人的交通工具,如汽车、火车、飞机等也都需要考虑如何为乘客提供舒适的环境。 所有这些,说到底都是与热设计有关的问题,过去要求不高,凭经验就可以基本满足要求。但是,随着技术的进步,要求越来越高,光凭经验就不够了。
    1.1  热设计的目的    
    根据相关的标准、规范或有关要求,通过对产品各组成部分的热分析,确定所需的热控措施,以调节所有机械部件、电子器件和其它一切与热有关的组份的温度,使其本身及其所处的工作环境的温度都不超过标准和规范所规定的温度范围。 对于电子产品,最高和最低允许温度的计算应以元器件的耐热性能和应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。 对于航天产品,必须同时考虑严酷的空间环境 (超低温 -269。C、太阳辐射、轨道热等) 和内部的热环境,尤其是载人航天器,其热设计的要求也更加复杂和严格,难度也更大。
    1.2  热设计的基本问题
    1.2.1  发生和耗散的热量决定了温升,因此也决定了任一给定结构的温度;
    1.2.2  热量以生热 (其它能量形式->热能)、导热、对流及辐射进行传递,每种形式传递的热量与其热阻成反比;
    1.2.3  热量、热阻和温度是热设计中的重要参数;
    1.2.4  所有的热控系统应是最简单又最经济的,并适合于特定的电气和机械、环境条件,同时满足可靠性要求;
    1.2.5  热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷解决;
    1.2.6  热设计中允许有较大的误差 – 源于各种热条件的不确定性,例如同类电子元器件,其热耗的分散性;空气的湿度使得对流换热的效果有较大不同;
    1.2.7  热设计应考虑的因素:包括结构与尺寸、系统各组成部分的功耗、产品的经济性、与所要求的结构和元器件的失效率相应的温度极限、(对于载人航天还要考虑人能忍受的极限条件)、结构和设备、电路等的布局、工作环境  (外部环境和内部环境)
    1.3  热设计应遵循的一些原则 (主要针对电子产品)
    1.3.1  热设计应与电气设计、结构设计同时进行,使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾;
    1.3.2  热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准;
    1.3.3  热设计应满足产品的可靠性要求,以保证整个产品均能在设定的热环境中长期正常工作。
    1.3.4  每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求;
    1.3.5  在进行热设计时,应考虑一定的设计余量,以免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。
    1.3.6  在规定的使用期限内,热控系统(如风扇、加热器等)的故障率应比元件的故障率低;
    1.3.7  热设计应考虑产品的经济性指标,在保证热控要求的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低;
    1.3.8  热控系统要便于监控与维护。
   
2  热设计的基本知识
    2.1某些基本概念
    (1)  温升
    指产品内部空气温度或结构、零部件、元器件温度与环境温度的差。
    (2) 热耗
    指电子元器件或设备正常运行时产生的热量。热耗不等同于功耗,功耗指器件或设备的输入功率。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,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 %,对同一个电源模块,输出功率与输入功率之比越小,效率越低。 热耗的单位为 W。
    (3) 热流密度
    单位面积上的传热量,单位 W/m2。
    (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,定义为 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。
    (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 (热量从高温区域流向低温区域),单位为 W/m ·K ·或W/m ·℃。
    (6) 对流换热系数
    反映两种介质间对流换热的强弱,表明当流体与壁面的温差为 1 ℃时,在单位时间通过单位面积的热量,单位为 W/m^2 ·K 或 W/m^2 ·℃  (热量从高温物体流向低温物体) 。
    (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。
    (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 (Pa)。
    (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。
    (10) 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。
    (11) 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。
    (12) 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。
    2.2  热量传递的基本方式
    简单考虑流体情况下的正交异性瞬态热分析的基本方程:

    其中:
    T – 温度 T(x,y,z,t) (K 或 C);    t – 时间 (s);
    ρ - 密度 (kg / m3);
    c – 比热 (J / kg / K);
    Kx,Ky,Kz – 三个方向的导热系数 (W/m · K 或 W/m · ℃);
    Vx,Vy,Vz –  三个方向的热质量迁移速度 (kg / s)
    q’ - 单位体积的生热率 (W / m3)
    热流传递方式:
    热量传递主要有三种方式: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。
    (1) 导热:
    导热是在连续介质中由于存在温度梯度所产生的传热现象。对于一块厚度 L 的平板,若两表面保持温差 ΔT,则平板两表面间的热流为:
    q = λ·A ·ΔT ·L = A ·ΔT / R           (2-2)
    λ --- 导热系数,W/m · K 或 W/m · ℃;
    A ---  导热方向上的截面面积,m2;
    R ---  导热热阻 (1 / λ/ L), ℃/W
    根据方程的形式,可以看出,要增加热量传递 q,可以增加导热系数,选用导热系数高的材料;增加导热方向上的截面积;减小导热方向上的距离。
    当传递的热量一定时,增加导热系数、截面积或两个表面的距离,将使温差减小。
    (2) 对流的基本方程:
    对流是由固体与流经其表面的流体之间存在的温差产生的换热现象。流入固体表面的热流为:
    q = h·A ·(Ta-Tw)                            (2-3)
    h ---  对流换热系数,W/m2 · K 或 W/m2 · ℃;
    A ---  有效对流换热面积,m2;
    tw --- 固体表面温度,℃ ;
    ta ---  周围介质温度,℃ ;        
    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,或增大流体与固体之间的温差。
    对流换热的方式又可分为自然对流换热和强迫对流换热。
    (3) 辐射的基本方程:
    两个相互发生辐射的表面之间的辐射热交换为:       
    其中:
    εi,εj --- 分别为两个表面黑度系数;    
    Fij --- 表面 i 到表面 j 的视角系数。即表面 i 向空间发射的辐射落到表面 j 的百分数。
    Ai,Aj --- 分别为物体 i,j 的有效辐射面积,m2 ;    
    Ti, Tj --- 分别为物体 i 和物体 j 表面的绝对温度,K ;
    σ --- Stefan-Boltzmann 常数
    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视角系数,增加表面积。
    关于视角因子:
    面 Ai 与 面 Aj 之间的视角因子定义为:           
    其中:
    Ai、Aj – 两个表面的面积;分割为若干小面积 dAi、dAj;
    Ni、Nj - 小面积 dAi、dAj 的法线;
    r - 小面积 dAi、dAj 的距离;
    θi、θj – 小面积 dAi、dAj 的法线与 r 的夹角。