熱設計

熱設計是隨著通訊和信息技術產業的發展而出現的一個較新的行業，且越來越被重視。隨著通訊和信息產品性能的不斷提升和人們對於通訊和信息設備便攜化和微型化要求的不斷提升，信息設備的功耗不斷上升，而體積趨於減小，高熱流密度散熱需求越來越迫切。

熱設計便是採用適當可靠的方法控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度，以保證產品正常運行的安全性，長期運行的可靠性。此外，低溫環境下控制加熱量而使設備啟動也是熱可靠性的重要內容。

目前，熱設計在通訊、安防、PC、汽車、LED以及逆變器等行業中越來越被重視，成為產品研發中不可缺少的重要領域。

熱設計一般由前期的仿真和後期的測試驗證來完成。當前的主流的仿真軟體有Flotherm， Icepak，FloEFD, 6SigmaET等。

基本介紹

• 中文名：熱設計
• 外文名：Thermal Design
• 性質：可靠性設計
• 主要內容：仿真與測試

簡介

傳統意義上的熱設計，是指通過相關的技術手段，對電子設備進行充分的冷卻，達到滿足可靠性、使用壽命需求的過程。熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計同時進行，當出現矛盾時，應進行權衡分析，折衷解決。從事熱設計工作應掌握熱學、流體力學等的基礎知識，並結合實際工作經驗提出合理的熱設計方案。

熱設計的目的

熱設計是以解決軍工、通訊和信息產品中過熱問題為目的的，熱設計的實際工作就是採用適當可靠的方法控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度，以保證產品正常運行的安全性，長期運行的可靠性。

熱設計的基本問題

設備的耗散的熱量決定了溫升，因此也決定了任一給定結構的溫度；熱量以導熱、對流及輻射傳遞出去，每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比；熱量、熱阻和溫度是熱設計中的重要參數；所有的冷卻系統應是最簡單又最經濟的，並適合於特定的電氣和機械、環境條件，同時滿足可靠性要求。

熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計同時進行，當出現矛盾時，應進行協調解決。

–電子設備的有效輸出功率比所需的輸入功率小得多，而這部分多餘的功率則轉化為熱而耗散掉。

–隨著電子技術的發展，電子元器件和設備日趨小型化，使得設備的體積功率密度大大增加

–提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。

設計目標

–熱設計應滿足設備可靠性的要求

–熱設計應滿足設備預期工作的熱環境的要求

–熱設計應滿足對冷卻系統的限制要求

–降低成本

考慮問題

–太陽輻射

–灰塵、纖維微粒

–壽命周期費用

–熱瞬變

–維修性

–水氣的冷凝

–冷卻劑

–太陽輻射

–灰塵、纖維微粒

–壽命周期費用

–熱瞬變

–維修性

–水氣的冷凝

–冷卻劑

·傳熱原理

·凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。

·熱量傳遞的兩個基本規律是:

–熱量從高溫區流向低溫區;

–高溫區發出的熱量必定等於低溫區吸收的熱量。

·熱量的傳遞過程可區分為穩定過程和不穩定過程兩大類:

–凡是物體中各點溫度不隨時間而變化的熱傳遞過程稱為穩定熱傳遞過程;

–反之則稱為不穩定過程。

傳熱原則

·傳熱的基本計算公式為

式中：Φ ——熱流量，W；

Κ——總傳熱係數，W/(m2·K)；

A ——傳熱面積，m2；

Δt——熱流體與冷流體之間的溫差，K。

傳熱方式

·導熱

·對流

·輻射

它們可以單獨出現，也可能兩種或三種形式同時出現.

導熱機理

·氣體導熱是由氣體分子不規則運動時相互碰撞的結果。

·金屬導體中的導熱主要靠自由電子的運動來完成。

·非導電固體中的導熱是通過晶格結構的振動實現的。

·液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。

導熱計算

·導熱基本定律是傅立葉定律:在純導熱中，單位時間內通過給定面積的熱流量，正比於該地垂直於導熱方向的截面面積及其溫度變化率。其計算公式為:

·式中：Φ ——熱流量，W；

λ——導熱係數，W/(m·℃)；

A ——垂直與熱流方向的橫截面面積，m2；

—— x方向的溫度變化率，℃/m。

負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。

對流傳熱

Ø可分為自然對流和強迫對流兩大類

Ø對流換熱採用牛頓冷卻公式計算

式中：hc——對流換熱係數，W/(m2·℃)；

A——對流換熱面積，m2；

tw——熱表面溫度，℃；

tf——冷卻流體溫度，℃。

輻射傳熱

Ø輻射能以電磁波的形式傳遞

Ø任意物體的輻射能力可用下式計算

式中：ε——物體的表面黑度；

σ0——史蒂芬—玻爾茲曼常數，5.67×10-8W/(m2·K4)；

A——輻射表面積，m2；

T——物體表面的熱力學溫度，K。