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热设计

产品研发中不可缺少的重要领域

热设计是随着通讯和信息技术产业的发展而出现的一个较新的行业，在通讯、安防、PC、汽车、LED以及逆变器等行业中越来越被重视，成为产品研发中不可缺少的重要领域。

简介
传统意义上的热设计，是指通过相关的技术手段，对电子设备进行充分的冷却，达到满足可靠性、使用寿命需求的过程。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。从事热设计工作应掌握热学、流体力学等的基础知识，并结合实际工作经验提出合理的热设计方案。
热设计的目的
热设计是以解决军工、通讯和信息产品中过热问题为目的的，热设计的实际工作就是采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。
基本问题
设备的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；热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比；热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；所有的冷却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。
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，应进行协调解决。
–电子设备的有效输出功率比所需的输入功率小得多，而这部分多余的功率则转化为热而耗散掉。
–随着电子技术的发展，电子元器件和设备日趋小型化，使得设备的体积功率密度大大增加
–提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。
设计目标
–热设计应满足设备可靠性的要求
–热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
–热设计应满足对冷却系统的限制要求
–降低成本
考虑问题
–太阳辐射
–灰尘、纤维微粒
–寿命周期费用
–热瞬变
–维修性
–水气的冷凝
–冷却剂
·传热原理
·凡有温差的地方就有热量的传递。
·热量传递的两个基本规律是:
–热量从高温区流向低温区;
–高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。
·热量的传递过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类:
–凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程;
–反之则称为不稳定过程。
传热原则
·传热的基本计算公式为
式中：Φ ——热流量，W；
Κ——总传热系数，W/(m2·K)；
A ——传热面积，m2；
Δt——热流体与冷流体之间的温差，K。
传热方式
·导热
·对流
·辐射
它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现.
导热机理
·气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。
·金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成。
·非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动实现的。
·液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。
导热计算
·导热基本定律是傅里叶定律:在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率。其计算公式为:
·式中：Φ ——热流量，W；
λ——导热系数，W/(m·℃)；
A ——垂直与热流方向的横截面面积，m2；
—— x方向的温度变化率，℃/m。
负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。
对流传热
Ø可分为自然对流和强迫对流两大类
Ø对流换热采用牛顿冷却公式计算
式中：hc——对流换热系数，W/(m2·℃)；
A——对流换热面积，m2；
tw——热表面温度，℃；
tf——冷却流体温度，℃。
辐射传热
Ø辐射能以电磁波的形式传递
Ø任意物体的辐射能力可用下式计算
式中：ε——物体的表面黑度；
σ0——斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；
A——辐射表面积，m2；
T——物体表面的热力学温度，K。
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