艾默生電子設備的強迫風冷熱設計規范

admin 2011-09-22

1目的
建立一個電子設備在強迫風冷條件下的熱設計規范，以保證設備內部的各個元器件如開關管、整流管、IPM模塊、整流橋模塊、變壓器、濾波電感等的工作溫度在規定的范圍內，從而保證電子設備在設定的環境條件下穩定、安全、可靠的運行。

2 適用范圍
本熱設計規范適用于強迫風冷電子設備設計與開發，主要應用于以下幾個方面：

? 機殼的選材
? 結構設計與布局
? 器件的選擇
? 散熱器的設計與選用
? 通風口的設計、風路設計
? 熱路設計
? 選擇風扇
3 關鍵術語
3.1 熱環境

設備或元器件的表面溫度、外形及黑度，周圍流體的種類、溫度、壓力及速度，每一個元器件的傳熱通路等情況

3.2 熱特性

設備或元器件溫升隨熱環境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。

3.3導熱系數(λ w/m.k)

表征材料熱傳導性能的參數指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的導熱量。

3.4 對流換熱系數（α w/m2.k）

對流換熱系數反映了兩種介質間對流換熱過程的強弱，表明了當流體與壁面間的溫差為1℃時，在單位時間通過單位面積的熱量。

3.5 熱阻(℃/w)

反映介質或介質間傳熱能力的大小，表明了1W熱量所引起的溫升大小。

3.6流阻(Pa)

流阻反映了流體流過某一通道時所產生的壓力差。

3.7 雷諾數（Re）

雷諾數的大小反映了流體流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數是說明流體流態的一個相似準則。

3.8 普朗特數(Pr)

普朗特數是說明流體物理性質對換熱影響的相似準則。

3.9 格拉曉夫數(Gr)

格拉曉夫數反映了流體所受的浮升力與粘滯力的相對大小，是說明自然對流換熱強度的一個相似準則。

3.10 定性溫度

確定對流換熱過程中流體物理性質參數的溫度。

3.11 肋片的效率

表示某擴展表面單位面積所能傳遞的熱量與同樣條件下光壁所能傳遞的熱量之比。

3.12 黑度

實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，它取決于物體種類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。

3.13 努謝爾特數Nu(Nusseltl)

反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是一個說明對流換熱強弱的相似準則。

3.14 傳熱單元數NTU

為無因次量，其數值反映了在給定條件下所需傳熱面積的大小，是一個反映冷板散熱器綜合技術經濟性能的指標。

3.15 冷板的傳熱有效度E

衡量冷板散熱器在傳遞熱量方面接近于理想傳熱狀況的程度，它定義為冷板散熱器的實際傳熱量和理論傳熱量之比，為無因次量

3.16 防塵網的阻力

防塵網對氣流形成阻力。防塵網積灰，阻力增加，當阻力增大到某一規定值時，過濾器報廢。新防塵網的阻力稱“初阻力”；對應防塵網報廢的阻力值稱“終阻力”。設計時，常需要一個有代表性的阻力值，以核算系統的設計風量，這一阻力值稱“設計阻力，慣用的方法是取初阻力與終阻力的平均值。

3.17 外部環境溫度的定義

自冷時指距設備各主要表面80mm處的溫度平均值；強迫風冷（使用風扇）時指距離空氣入口80~200mm截面的溫度平均值。

3.18 機箱表面的溫度定義

機箱表面溫度指在機箱各表面幾何中心處的溫度。

3.19 設備風道的進、出口風溫的定義

冷卻空氣入口、出口溫度指在入口或出口處與風速方向垂直的截面內各點溫度的平均值。

3.20 冷板散熱器

指采用真空釬焊、錫焊、鏟齒或插片工藝成型的齒間距較密，寬高比較大的散熱器。

4引用/參考標準或資料
下列標準包含的條文，通過在本標準中引用而構成本標準的條文。在標準出版時，所示版本均為有效。所有標準都會被修訂，使用本標準的各方應探討使用下列標準最新版本的可能性。

GBxxxxx-89 電力半導體器件用散熱器使用導則

GB11456-89 電力半導體器件用型材散熱器技術條件

GJB/Z27-92 國家軍用標準匯編,電子設備可靠性設計手冊

GB/T 12992-91 電子設備強迫風冷熱特性測試方法

GB/T 12993-91 電子設備熱性能評定

電子設備結構設計標準手冊

TS-S0E0199001 電子設備的強迫風冷熱設計規范

分散式散熱產品的熱設計規范

5 規范內容
5.1 遵循的原則
5.1.1進行產品的熱設計應與電氣設計、結構設計同時進行，平衡熱設計、結構設計、電氣設計各種需求。

5.1.2 熱設計應遵循相應的國際、國內標準、行業標準、公司標準。

5.1.3 熱設計應滿足產品的可靠性要求，以保證設備內的元器件均能在設定的熱環境中正常工作，并保證達到設定的MTBF指標。

5.1.4 各個元器件的參數選擇、安裝位置與方式必須符合散熱要求。

5.1.4.1元器件的發熱表面與散熱表面之間的接觸熱阻應盡可能小。

5.1.4.2 根據元器件的損耗大小及溫升要求確定是否加裝散熱器。

5.1.4.3 在規定的使用期限內，冷卻系統(如風扇等)的故障率應比元件的故障率低。

5.1.5 模塊的控制回路中盡可能加裝溫度繼電器、壓力繼電器等熱保護回路以及風速調節回路，以提高系統的可靠性。

5.1.6 在進行熱設計時，應考慮相應的設計冗余，以避免在使用過程中因工況發生變化而引起的熱耗散及流動阻力的增加。

5.1.7 熱設計應考慮產品的經濟性指標，在保證散熱的前提下使其結構簡單、可靠且體積最小、成本最低。

5.1.8 冷卻系統要便于測試與維護。

5.1.9 采用強迫風冷的條件：在常壓下，強迫風冷的應用范圍為0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2采用自然冷卻，大于0.31 w/cm2須采用水冷或其它表面冷卻。

5.2 產品熱設計要求
5.2.1產品的熱設計指標
5.2.1.1 散熱器的表面溫度最高處的溫升應小于45℃.

5.2.1.2 模塊內部空氣的平均溫升應小于20℃。

5.2.2 元器件的熱設計指標
元器件的熱設計指標應符合TS-S0A0204001《器件應力降額規范》，具體指標如下：

5.2.2.1 功率器件的工作結溫應小于最大結溫的(0.5-0.8)倍

對額定結溫為175℃的功率器件, 工作結溫小于140℃.

對額定結溫為150℃的功率器件, 工作結溫小于120℃.

對額定結溫為125℃的功率器件, 工作結溫小于100℃.

5.2.2.2 碳膜電阻 120℃

金屬膜電阻 100℃

壓制線繞電阻 150℃

涂剝線繞電阻 225 ℃

5.2.2.3 變壓器、扼流圈表面溫度

A級 90 ℃

B級 110 ℃

F級 150 ℃

H級 180 ℃

5.2.2.4 電容器的表面溫度

紙質電容器 75-85℃

電解電容器 65-80℃

薄膜電容器 75-85℃

云母電容器 75-85℃

陶瓷電容器 75-85℃

5.3 系統的熱設計
5.3.1 常見系統的風道結構
5.3.1.1系統風道設計的一些基本原則：

? 盡量采用直通風道，避免氣流的轉彎。在氣流急劇轉彎的地方，應采用導風板使氣流逐漸轉向，使壓力損失達到最小。
? 盡量避免驟然擴展和驟然收縮。
? 進、出風口盡量遠離，防止氣流短路。
? 在機柜的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，防止氣流短路。
圖1系統布局要點示意圖

? 為避免上游的熱量回流到下游，影響其散熱，可以采用獨立風道，分開散熱。
? 風道設計應保證系統各個區域散熱均勻，避免在回流區和低速區產生熱點。
? 并聯風道應根據各風道散熱量的要求分配風量, 避免風道阻力不合理布局。
? 要避免風道的高低壓區的短路。
? 最大損耗的元器件應靠近出風口。
? 保證進、出風口面積大于風扇的通風面積。
? 保證空氣流通并能夠以較大的風速流過較熱的區域。
? 避免在兩個熱點之間用一個小風扇來冷卻。
? 溫度敏感的元器件應盡量靠近風扇入口。
? 盡可能采用吹風以防止灰塵聚積。
? 盡可能采用空隙率較大的防塵網以減小阻力。
? 高熱器件的位置要求
如果不能消除SWIRL的影響，即無法保證流出風扇框的流場是近似均勻的流場，則必須避免布置高熱器件在流場的旋渦區域，因為該區域風速最小。

5.3.1.2一些典型的風道結構
5.3.2 系統通風面積的計算
通風口的面積大小應為： S＝(1.5-2.0)(N³S模塊)………………(1)

S模塊---系統通風面積，m2

N---每層模塊的總數

S模塊---每一個模塊的通風面積, m2

5.3.3 系統前門及防塵網對系統散熱的影響
如果前門的進風口位置滿足要求，并且進風面積足夠，一般來講，開門與關門有約2-5℃差異。

如果需在系統上加防塵網，即使采用粗效的防塵網，也將帶來5-10℃的差異。

5.4 模塊級的熱設計
5.4.1 模塊損耗的計算方法
模塊的損耗可由下式計算.

Pdiss=(1/η-1)Pout………………………………………(2)

Pdiss -- 模塊的損耗,W

Pout--模塊的輸出功率,W

η--模塊的效率

功率損耗Pdiss是由于發熱器件的發熱而引起的，這些發熱器件包括開關管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二極管及FRED），濾波電感，變壓器以及開關管的驅動等。