熱設計理論基礎

任 鵬

（長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 717502)

熱設計理論基礎

任 鵬

（長慶油田分公司第一采油廠，陜西延安 717502)

熱傳導及熱量的散失的基本理論是任何設計者進行熱分析學的基本知識。設計者只要掌握了熱散失過程的基本知識、計算方法及實驗手段、熱設計的基本設計準則和設計步驟，以及普遍的熱控制方法，就可以解決任何設備發熱部分的散熱問題。

散熱設計；理論基礎；電子設備

1 熱傳遞方式

熱力學第二定律指出：熱量總是自發的、不可逆轉的，從高溫處傳向低溫處，即：只要有溫差存在，熱量就會自發地從高溫物體傳向低溫物體，形成熱交換。熱交換有三種模式：傳導、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。

2 對流換熱控制公式方程

2.1 質量守恒方程

流體運動中的質量守恒是指流體流過一定空間流體的總質量保持不變，任何流動問題都必須滿足質量守恒定律。控制體的連續方程為：

式中，p為流動物體質量密度，V為流動物體質量體積，C.V.是空間中流體的控制體，以控制面C.S.為計算運動邊界。

2.2 動量守恒方程

動量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子；既適用于低速運動物體，也適用于高速運動物體；它既適用于保守系統，也適用于非保守系統。動量守恒定律是任何不受外力時運動系統包括流動系統都必須遵守的基本定律。此方程可解釋為：作用某控制體內流體外力的合力，等于單位時間內流出控制體的動量減去單位時間內進入控制體的動量加單位時間內控制體中的流體動量的累積量。對于控制體的動量方程為：

式中，p為流動物體密度，V為流動物體體積，C.V.是空間中流體的控制體，以控制面C.S.為運動邊界。

3 各發熱器件散熱設計方法及程序

各種設備發熱部位的散熱及傳導設計是設備可靠性設計的一項重要方面。電子設備只要通電就有發熱，是熱源，其產生的熱量等于功率的耗散。耗散功率（發熱功率）是熱設計的基礎，可以采用實驗和理論計算來確定。一般都增加安全系數，保守取值，適當取高些。熱設計一般是取最惡劣工況：最高環境溫度和最大熱耗散的情況下設計。總的來說，電子設備的散熱及傳導設計應必須遵守以下幾個方面及步驟：

1）確定發熱器件的散熱面積、散熱器或周圍空氣介質的環境溫度極限范圍；

2）確定熱量對流密度和消散方式；

3）對少量關鍵發熱元器件進行應力分析，確定其最高允許溫度和功耗，并對其溫度關系下的失效率加以分析；

4）按照發熱器件及整個設備的安裝方式進行熱密度的計算；

5）由器件內熱阻確定其表面最高工作溫度；

6）計算器件到最終散熱面之間的總體熱阻礙值；

7）根據熱量產生量度等因素對熱阻礙進行計算與分配，并對此加以評價，確定熱傳導方式和冷卻方式。

4 電子設備冷卻散熱方式

4.1 放置自然冷卻

放置自然冷卻是散熱、對流和輻射換熱的單獨作用或兩種以上換熱形式的組合，優點是可靠性高，成本低。放置自然冷卻受外界環境影響較大，在傳導路徑中容易有阻礙熱傳導的障礙物存在，增加熱傳導阻力從而使空氣換熱的傳導速度降低以及空氣的流動劑量降低。因此，在設備以外環境的干擾的情況下，此冷卻方式是一種比較簡潔、高效、性價比高的散熱方式。它不需要風機或傳輸泵等的冷卻劑傳送設備，避免了因設備部件的磨損或故障影響系統可靠性的弊端，因此，應優先考慮選用自然冷卻方法。

4.2 強迫通風冷卻

在強迫風冷在中，大功率的密集集成電子設備以及發熱量較多無法靠自然風進行冷卻的設備中應用較多，因為它具有比自然冷卻中空氣更高的對流速度及更大的對流量，與其他幾種熱傳導方式的強迫冷卻方式相比較，此冷卻方式具有結構簡單、成本低、維護簡便等優點。

4.3 液體冷卻液冷卻

4.3.1 直接液體冷卻液冷卻

我們所說的直接液體冷卻，就是將設備電子元器件的發熱部分與冷卻液直接接觸，進行熱量交換，發熱的元器件將產生的熱量傳到給冷卻液，使自身熱量降低，冷卻液溫度升高，再由冷卻液將多余的熱量散失出去。這樣的冷卻方式適用與熱密度較高或電子元器件集成密度較高的設備中，該冷卻方式需要對發熱元器件及冷卻液的特性較高，冷卻液必須滿足在電子設備的工作溫度下具有沸點高、不分解、不揮發等特性，還須滿足冷卻液不影響設備的功能。

4.3.2 間接液體冷卻液冷卻

間接液體冷卻液冷卻俗稱間接液冷，指冷卻液不與發熱的電子元器件直接接觸，而是通過發熱元器件的外部設備基板等中間模塊與元器件接觸將產熱的熱傳導給間接冷卻液，冷卻液升溫后再通過冷卻液表面散失達到間接冷卻的目的。間接液體冷卻系統的設計，主要需要發熱源與中間介質之間保持有良好的導熱路徑，盡可能降低熱接觸阻值。此方法冷卻

液不與電子元器件直接接觸可以減少對電子設備的污染，且對冷卻液的要求沒有直接冷卻液冷卻高，且維護維修簡單。

5 結束語

主要介紹了電子設備熱設計的基礎知識，而要進行熱分析或是想成為一名合格的電子散熱設計師，這些基礎知識都是熱設計者要熟悉通曉的。只有設計者掌握了熱傳導的基本知識，就能夠按照設備工作方式及熱量的產生量，設計一種或幾種適合工業現場的熱傳導冷卻方式，滿足工業現場設備熱傳導需要。

[1] 趙惇殳.電子設備熱設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

Theoretical Basis of Thermal Design

Ren Peng

The basic theory of heat transfer and heat loss is the basic knowledge of any designer’s thermal analysis.As long as the designer has mastered the basic knowledge of the heat dissipation process，the calculation method and the experimental means，the basic design criteria and design steps of the thermal design，and the general thermal control method，the heat dissipation problem of any heating part can be solved.

thermal design；theoretical basis；electronic equipment

TU323.4

B

1003–6490（2017）11–0220–02

2017–09–09

任鵬（1988—），男，陜西西安人，助理工程師，主要從事設備管理方面的工作。