ANSYS Icepak电子散热基础教程(第2版)
上QQ阅读APP看本书,新人免费读10天
设备和账号都新为新人

2.3 电子热设计冷却方法及准则方程

电子热设计主要采用合适可靠的方法来控制电子产品内元器件的温度,使其在所处的工作环境下稳定运行,温度不超过规定的最高温度,使电子产品具有良好的热可靠性。电子热设计应该与电气设计、结构设计同时进行,三者应相互兼顾。

电子热设计中冷却方法的选择,应该考虑下列因素:产品热设计的技术要求、器件热耗、设备所处的工作环境条件、体积表面积大小等。

目前,电子热设计中常用的冷却方法包括:

(1)自然冷却(包含导热、自然对流和辐射换热)。

(2)强迫冷却(包含强迫风冷、强迫液冷散热等)。

(3)TEC热电制冷。

(4)热管散热。

冷却方法主要是根据器件的热流密度和温升的要求进行选择,可参考图2-8进行选择。

图2-8 冷却方法的合理选择

表2-1中,列出了不同冷却方法所对应的换热系数,以及温升40℃下,对应的热流密度。从表中可以看出,空气自然冷却的换热系数通常在10 W/m2·℃左右,因此,在对机柜进行散热模拟时,可直接将柜体壁面设置为Wall,然后输入相应的换热系数,以考虑外界空气与柜体的换热效果。

表2-1 不同冷却方法与换热系数

2.3.1 自然冷却

对电子设备来说,自然冷却是一种比较可靠的散热方式,其无噪声、经济可靠,是电子产品散热方式的第一选择,主要通过合理的结构设计,将设备内部发热器件的热量通过最低的热阻路径传至设备的外部环境中,保证设备在合理的温度范围内正常工作。

自然冷却的方式适用于功率密度较低的电子设备。

1.自然对流换热系数计算

自然对流换热的准则方程为

式中,Nu为努塞尔数,其与对流换热系数hc的关系为Nu=hcD/λ; Ra为瑞利数,Ra=Gr· Pr; Gr为格拉晓夫数,Gr=βgρ2D3Δt/μ2; Pr为流体的普朗特数;D为固体的特征尺寸;λ为流体的导热系数;β为流体的体积膨胀系数;g为重力加速度;ρ为流体的密度;Δt为固体热表面与流体的温差;μ为流体的动力黏度。

其中,C、n可通过表2-2查询。

表2-2 准则方程系数

通过准则方程,计算出努塞尔数Nu,然后根据Nu与对流换热系数的关系,即可计算出对流换热系数hc。在使用ANSYS Icepak进行热仿真时,可将计算的壁面对流换热系数输入软件,ANSYS Icepak会自动考虑壳体与外界流体的换热过程,如图2-9所示。

图2-9 ANSYS Icepak中对流换热系数的输入

如某通信机柜,采取自然冷却的散热方式,为了减少热仿真的计算量,使用ANSYS Icepak的计算区域Cabinet作为柜体外壳,在计算区域的边界上使用ANSYS Icepak提供的Wall类型,在Wall的属性面板中选择第3类热边界条件,输入外界空气与机柜外壳的换热系数(10W/K·m2)。

另外,对于本案例机柜散热来说,如果扩大相应的计算区域(ANSYS Icepak中除固体区域外,其他空间默认为空气),设置Cabinet四周为开口属性,那么ANSYS Icepak也可以自动计算壳体与空气的自然冷却过程,将自然冷却的换热系数计算出来。但是由于扩大计算区域后,将增大整体模型的计算量,因此,大多数情况下,均直接输入机柜外壳与空气的换热系数,如图2-10所示。

图2-10 某机柜外壳输入换热系数

2.电子PCB自然冷却的合理间距

随着电子技术集成度的不断提高,PCB元件的安装密度大幅增加,相应的PCB模块发热功率也随之增加(图2-11是1993—2006年CPU功率变化图),因此,PCB及元器件的温度控制问题日益严重。合理的PCB布局及散热结构设计可保证PCB具有较高的热可靠性。

图2-111993—2006年CPU功率变化图

PCB一般均安装于机箱中,合理的PCB间距b计算公式:

式中,P =(CPρ2Δt)/(μλL); CP为定压热容;L为PCB的高度特征尺寸;λ为流体的导热系数;β为流体的体积膨胀系数;g为重力加速度;ρ为流体的密度;Δt为固体热表面与流体的温差;μ为流体的动力黏度。

3.开放式电子机箱

对于开放式电子机箱,可采用以下经验公式进行自然冷却的计算:

式中,第1项为自然对流的换热量;第2项为热辐射的换热量;第3项为通风孔带走的热量;As为机箱的侧面积;At为机箱的顶面积;Ab为机箱的底面积;A为参与辐射的表面积;δ0为斯蒂芬—玻耳兹曼常数,δ0=5.67e-8W/m2·K4; ε为机箱表面的发射率;Tm=1/2(机箱表面的平均温度+环境温度)。

开放式机箱最小通风孔面积计算的经验公式为

式中,Q0为通风孔带走的热量;H为机箱的垂直高度。

4.密闭式电子机箱

式(2-10)中的各个参数与式(2-9)中的相同。

2.3.2 强迫对流

强迫冷却在电子设备中用来进行散热设计,其主要是通过风机或者泵驱动相应的流体,通过外部原因产生的压力差作用,使得流体进行流动,冷流体与电子设备内的器件进行热量交换,从而对电子设备进行冷却。

通常来说,当电子设备的热流密度超过0.08W/cm2或体积热流密度超过0.18W/cm3时,可采用强迫冷却进行电子设备散热。

1.强迫对流换热系数计算

强迫对流的准则方程如下。

(1)管内层流状态流动:

(2)管内湍流状态流动:

式中,D为特征尺寸,主要指管道内径或当量直径;l为管长;μl为平均温度下流体的动力黏度;μw为壁面温度下流体的动力黏度。

(3)沿平板层流流动:

(4)沿平板湍流流动:

其中,Re公式中的特征尺寸D表示流动方向平板的长度,然后根据公式Nu=hcD/λ,可以将hc计算出来。

2.风机工作点

当机箱系统结构固定以后,机箱系统的压力损失随之固定,主要是包含沿程阻力损失和局部阻力损失。如图2-12所示,系统的阻力曲线与风量呈现二次方的关系,系统阻力曲线与风机风量风压曲线的交点即是风机的工作点。

图2-12 阻力曲线与风量的关系

在ANSYS Icepak热仿真中,当软件将系统的流动传热工况计算收敛后,通过单击Report-→Fan operating points, ANSYS Icepak会自动弹出风机工作点的窗口,告知风机给系统提供的风量和压力,如图2-13所示。

图2-13 ANSYS Icepak自动计算风机工作点

2.3.3 TEC热电制冷

TEC热电制冷,又称为半导体制冷,是建立在珀尔帖等热电效应基础上的冷却方法,当一块N型半导体和一块P型半导体连接成电偶并在闭合回路中通直流电流时,在其两端的节点处将分别产生吸热和放热现象,其结构原理如图2-14所示,其主要适用于微波混频器、激光器等电子器件。

图2-14 TEC热电制冷示意

TEC制冷的优点是无须外界机械动力,无噪声、无振动;可将发热器件的工作温度降低至比环境温度还低;可通过改变电流大小调整制冷量和冷却速度,结构紧凑、体积小、质量轻。

TEC制冷的缺点是为了达到很好的制冷目的,TEC本身需要很大的电流,热耗较大。

在ANSYS Icepak中,可建立TEC制冷的模型,包含TEC的冷面、热面及不同电流TEC的热耗,TEC的极对数,TEC半导体的高度、间隙及几何因子等,可方便快捷对TEC制冷进行散热模拟,如图2-15所示。

图2-15 ANSYS Icepak自建模建立TEC模型

从图2-16可以看出,在环境温度20℃的情况下,单级TEC制冷可以将热源的最低温度降低至-1℃。

图2-16 Icepak——单级TEC模拟计算

另外,在ANSYS Icepak中,也可以使用相同方法建立多级TEC制冷模型,如图2-17所示。

图2-17 Icepak——四级TEC模拟计算

2.3.4 热管散热

热管散热是一种高效的传热装置,目前被广泛应用在电子设备的强迫风冷或自然冷却中,其传热能力高,传热能力比其他导热材料高几十倍,均温性好,可根据散热的结构需求设计热管外形,无须动力源,可有效降低热源至热沉的传热热阻,其工作原理如图2-18所示。

图2-18 热管传热示意

热管的工作原理为:高温器件将蒸发端加热,热管内的工质由液体蒸发为气态,吸收潜热,气态工质在蒸发端和冷凝端之间所形成的压差作用下流向冷凝端,由于气态工质在冷凝端冷凝成液体,释放气化所吸的潜热,释放的潜热被外界的冷空气带走。冷凝后的液体,在吸液芯和液体产生的毛细管作用下,重新流回蒸发端,工质开始新的循环。热管实物和热管散热器如图2-19、图2-20所示。

图2-19 某热管实物

图2-20 某热管散热器

ANSYS Icepak不能模拟热管内工质相变的过程,因此,软件在模拟热管的过程中,主要是给热管模型输入一个各向异性的导热率来进行散热模拟,只是模拟热管传热的效果。如果需要模拟热管内工质相变的过程,可使用ANSYS Fluent来进行模拟计算。

目前,与热管类似的热控产品为VC(Vapor Chamber)均温板散热器,如图2-21所示,其内壁是一个微细结构的真空腔体,热量通过内部液体蒸发和冷凝反复循环。与传统热管相比,其真正实现了二维大平面热量的直接传递,热传导效率更高。

图2-21 VC均温板散热器

热管及VC均温板散热器的技术优势包括:

(1)传热效率较传统的型材散热器高。

(2)散热器基板温度低,使元器件的热可靠性更高。

(3)风扇尺寸、风扇数量的减少,可以有效降低成本。

(4)风扇可以以较低的运转速度进行散热,使风扇的可靠性提高。

(5)对冷却风量的需求减小可以大大降低系统的噪声。

(6)散热器较轻可以减少振动造成的损坏。

(7)元器件的布局具有更大的灵活性。

2.3.5 电子设备热设计简则及注意事项

电子设备热设计简则及注意事项如下。

(1)保证足够的自然对流空间;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,增强自然对流换热。

(2)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。

(3)是否充分运用了导热的传热途径;可以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。

(4)充分运用了辐射的传热途径;当机壳表面涂漆时,发射率可以达到很高,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下降10%左右。

(5)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,可以采用热管,将热量导到其他有足够空间安装散热器的位置。

(6)在规定的使用期限内,冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低。

(7)在进行热设计时,必须考虑相应的设计余量(1.5~2倍),以应对使用过程中因突发工况而引起的热耗突增及流动阻力突增的情况。

(8)尽量采用自然冷却或低转速风扇等可靠性高的冷却方式。

(9)使用风扇冷却时,要保证噪声指标符合要求。

(10)热设计应考虑产品的经济性指标,在保证散热的前提下使其结构简单、可靠,且体积最小、成本最低。

(11)冷却系统要便于监控与维护。

(12)每个风道要有明确的进出口;应该对不同的冷却风道进行隔离;对于不同风道之间,要防止气流短路,即一个风道的出风口不能是另一个风道的进风口。

(13)当插箱有空槽位时,需要安装假面板,以防止气流短路(气流短路对插箱其他部分的散热有明显的影响)。

(14)自然对流冷却方法适用于小型化部件、密封及密集组装的元器件。

(15)空气是热的不良导体,但是当受热表面之间的间隙很窄,并充满空气(或者其他气体)时,空气的热传导是真实存在的,此时空气为不良导体。实验证明,如果两个面之间的距离小于6.35mm,则两面之间主要是通过空气的热传导进行换热的,自然对流换热可忽略不计;而对于12.7mm以上的间隙来说,换热方式主要是对流、辐射(依据温差,二者比例不同)。

(16)一般来说,昏暗的、黝黑的表面是良好的热辐射吸收体,并具有较高的发射率;而抛光的表面发射率低,可以用作屏蔽热辐射,如抛光铜发射率为0.023,氧化的铁铸件发射率高达0.95。

(17)金属表面的发射率与粗糙度有关,光亮表面的反射率要高于粗糙表面的反射率。一个抛光金属面,如果涂覆黑色,其发射率也会提高。

(18)为实现最大的辐射换热,应该采用“黑色”表面,当然不应该理解为所有表面是黑色;如玻璃在温度100℃时的发射率与黑色涂层的发射率相当,并且随着温度的升高发射率会比黑色涂层的发射率稍微高一些。

(19)当辐射表面(热面)与接收表面(冷面)的温度固定时,则温度量级越高,辐射换热量就越大,主要是因为换热量与绝对温度的四次方之差值成正比。

(20)在自然冷却对流中,不要选择密集的散热翅片。

(21)风扇进风口受阻挡所产生的噪声比其出风口受阻挡产生的噪声大好几倍,所以一般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离,以免产生额外的噪声;风机出风口至少要保留10mm的间隙,以供排风使用。

(22)不要使用压头不同的风机并联工作,不要使用流量不同的风扇串联工作。

(23)选择风机时,必须考虑气流通过滤棉所产生的压降损失。

(24)变压器需要特别注意绕组的热点温度;如果绕组热点温度超过了允许的最高温度,则绕组的绝缘就会被击穿,从而使得变压器失效,与之相连的设备均会失效;如果变压器装有静电屏蔽罩,应尽可能使屏蔽罩与底座有热连接,在外壳、铁芯、机座之间装上铜带,有助于增加热传导。

(25)经验证明,通常空心线圈热耗较小,不会出现严重的散热问题;其主要依靠自然冷却进行散热,进行热估算时应该把密绕的线圈当作一个平滑的圆柱体,线圈在垂直放置时内表面和外表面均有自然对流冷却,而在水平放置时仅外表面有自然对流冷却。

(26)通常元器件的最长尺寸应该垂直放置(沿着重力方向),垂直安装的器件在水平方向应该交错布置排列。

(27)人体通常的散热量为100W,进行方舱等电子设备的热计算时,需要考虑人体的散热量。

(28)处于户外的电子设备必须装在可耐受恶劣环境的外壳里。

(29)对于自然冷却的开放式(有开口)电子设备来说,外壳设计时应注意使空气从底部自由流入,然后在顶部流出,空气通道的宽度应该在6.35~12.7mm。

(30)有时必须对热辐射加以控制:必须对靠近高温热源且对温度比较敏感、耐温性差的器件加以保护,避免受到过热损害;将精密抛光的金属屏蔽板作为辐射热屏障可以有效地保护这些器件避免热辐射;屏蔽罩吸收的热量需要很好地导出,必须将屏蔽罩与外壳底座进行良好的固定安装,将空气间隙减至最少,形成低热阻的传热路径;注意屏蔽罩与器件之间的空气层不能太薄,否则气流不能自然对流,只能靠空气的传导和辐射将热量传给屏蔽罩。由于屏蔽罩表面抛光处理,反射率高,大部分热量又返回器件,所以屏蔽罩必须和底壳有良好的接触,以便形成良好的低热阻通路。

(31)要考虑产品预期的热环境;比如靠自然冷却的设备被安装在一个机柜内,设备原始的自然冷却设计可能满足不了机柜内的散热环境。

(32)如果强迫冷却的设备并排或者叠放在一起,从一个设备排出的热气会进入另一设备的冷气入口,空气温升会远远超过预期的环境温度;另外,设备的排气口、进气口不能受到阻挡。

(33)电子设备不能安装在潮湿的环境下,否则元器件和导体都会受潮,电子设备也不得在低于空气露点的环境下工作。

(34)自然冷却时温度边界层较厚,如果翅片间距太小,两个翅的热边界层易交叉,影响翅片表面的对流,所以在一般情况下,建议自然冷却的散热器翅间距大于12mm,如果散热器翅高低于10mm,可按翅间距≥1.2倍高来确定散热器的翅间距。

(35)自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热翅表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热翅表面不加波纹翅。

(36)自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的发射率和辐射换热量。

(37)由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及翅片应足够厚,以抗击瞬时热负荷的冲击;散热器基板厚度对散热器的热容量及散热器热阻有影响,太薄热容量太小,太厚散热器的热阻反而大;建议基板厚度为3~6mm,翅片厚度为3~5mm。

(38)在强迫冷却情况下,铝型材散热器的翅面应加波纹翅;肋片表面增加波纹可以增加10%~20%的散热能力,波纹翅的高度小于0.5mm,宽度为0.5~1mm,以增加对流换热效果。

(39)当风速大于1m/s时,可完全忽略浮升力对翅片表面换热的影响,即忽略散热器翅片间的自然冷却。

(40)应避免急剧弯曲的管道,减少局部阻力损失;应该采用导流板使气流逐渐转向;避免管道急剧扩张或收缩,扩张角度不得超过20°,收缩锥角不得大于60°。

(41)为了取得最大的空气运载能力,尽量使管道接近正方形,管道长/宽比不得大于6∶1。

(42)管道尽量密封,所有搭接台阶应顺着流动方向;进风口结构应使得气流阻力最小,且要起到滤尘作用。

(43)应该使用光滑材料做风道,以减少摩擦损失。

(44)对于靠墙安装的电子设备,其进出口不能位于设备后部;如果设备后部确实有开口,那么设备离墙的距离必须大于100mm。