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【热设计讲座】(五)自然对流与强制对流及计算实例

归档日期:05-16       文本归类:强制对流      文章编辑:爱尚语录

  热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础—传热着手,介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流,则具有降低平均温度的效果。

  很多文献中都记载了计算传热系数的公式,可以把流体的特性值带入公式中进行计算,可以适用于所有流体。但每次计算的时候,都必须代入五个特性值。因此,公式(3)事先代入了空气的特性值,简化了公式。

  2.51是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热,2.51需要换成水的特性值。

  公式(3)出现了C、L、T三个参数。C和L从表1中选择。例如,发热板竖立和横躺时,周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变,系数C就负责吸收这一差异。

  代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异,因此,在计算的时候,需要从表1中选择相似的形状。

  需要注意的是,表示大小的L位于分母。这就表示物体越小,对流传热系数越大。

  T是指公式(2)中的(表面温度-流体温度)。温差变大后,传热系数也会变大。物体与空气之间的温差越大,紧邻物体那部分空气的升温越大。因此,风速加快后,传热系数也会变大。

  公式(3)叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出,但自然对流与气流有关,没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的,只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下,理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。

  但是,如果发热板水平放置,气流就会变得复杂,计算的难度也会增加。这种情况下,就要根据原始的理论公式,通过实验求出系数。也就是说,在公式(3)中,理论计算得出的数值0.25可以直接套用,C的值则要通过实验求出。

  物体沿流动方向的尺寸越小,单位面积的散热量越大。自然对流的传热系数随斜率和面的曲率变化,但变化的幅度不大。而强制空冷可以通过提高风速和湍流化,大幅改变传热系数。

  形状和配置对于自然对流的传热系数会产生多大的影响(图4)?举例来说,平面的传热系数h等于

  平面为0.56,圆筒面为0.55,差别只有2%左右,由此可见,平面与圆筒面的传热系数差别不大。

  这就意味着当发热板倾斜时,下表面的传热能力会越来越差,而上表面的传热能力基本不变。发生倾斜后,下表面只受到沿倾斜面的向量成分的浮力。也就是说,下表面的浮力变弱。

  假设垂直时的传热系数为hv,倾斜时的传热系数为h,物体沿垂直方向倾斜角度,此时,下表面的传热系数大致为:

  如果倾斜45度,传热系数将缩小8%左右。由此可知,即使倾斜发热板,传热系数也没有太大变化。但一旦接近水平,传热系数就会急剧降低。

  通过上面的介绍,大家应该已经明白,提高自然对流传热系数其实难度颇大。但物体越小,对流传热系数越大。比方说,我们可以采用把散热器翅片分割成几个部分的方法。在翅片截断的地方,热边界层将重置,起到阻止边界层变厚的作用,借此可以提高对流传热系数。但这样做会减少翅片的表面积,总的散热能力依然变化不大。

  强制对流时,计算热流量使用与强制对流对应的传热系数。根据流体的流动是在层流区域还是在湍流区域,计算使用的传热系数均不同。

  强制对流时,一旦提高风速,状态也会在途中随之改变。比方说,即便是在没有风的房间里,香烟的烟雾也是一开始径直向上,在途中四处飘散。径直向上的地方是层流,飘散的地方是湍流。

  在层流区,香烟烟雾中颗粒物是单向流动。而在湍流区,颗粒物会到处乱飞,随着时间的推移,烟雾的形状将发生改变。湍流是非定常流,流向会随时间改变。印刷电路板周边的空气也一样,最初为层流,中途转变为湍流。

  从散热的角度来看,湍流更有利于散热。因为在湍流中,热空气与冷空气将相互混合,冷空气会得到靠近壁面的机会,更加容易传热。也就是说,湍流化能够降低温度。尤其是对于低流速和水冷式,湍流化十分有效。但湍流化也会导致流体阻力增大,这回增加风扇和水泵的负荷。

  强制形成湍流化的起始点时,可以采用在流体的通道中设置突起物(湍流促进器)的方式。在强制空冷的散热器中,可以看到这种设置突起的例子(注4)。

  (注4)自然对流也存在湍流,但在电子产品的热设计中,可以认为基本不存在自然湍流化。但温度达到500~600℃的高温后,因为浮力增强,所以也会出现湍流化。

  遏制流动的力与促进流动的力,二者的平衡决定着湍流的起始点。遏制流动的力是粘性力,在壁面附近的作用较强,而促进流动的力则是惯性力或浮力。

  粘性力强,则流动受到遏制。因为气流之间会相互约束。例如,在细缝和靠近壁面的地方,粘性力较强。

  同样,翅片与翅片之间的距离越窄,粘性力越强,也就很难发生湍流化。而惯性力由速度产生,只要提高速度,惯性力就会随之增大。

  仍以香烟的烟雾为例,在烟雾开始流动时,热源上部的空气缓慢上升,发生流动的区域也十分狭窄。但随着流动的进行,周围的静止流体也被带动,流动的区域不断扩大。因此,粘性力会降低。而在浮力的加速作用下,空气的流速不断加快。因而产生了湍流化。

  根据层流和湍流的不同,强制对流的传热系数公式存在相当大的差别。首先是层流的公式。

  其中加入了空气的特性值,3.86与自然对流公式(3)中的2.51含义相同。

  思考纵长200mm×横宽100mm(无视厚度)的平板的升温保持在40K(℃)时,图中3种模式的散热能力。假设平板的温度均匀,且没有热辐射。

  需要求的数值是热流量,相当于散热量,这就必须首先求出传热系数,需要使用公式(3)。

  (a)和(b)是垂直放置,C值使用平板垂直放置时的数值。因为升温固定在40K(℃),所以T为40(注5)。至此,所有数值已经齐备,可以计算出传热系数。

  (注5)温度必须要多次计算,比较麻烦。如果不知道温度,就求不出传热系数,因此,最初先假设温度为30℃,计算出h。把结果代入公式进行计算,得到的温度一般不等于30℃,此时要使用得出的数值重新计算。经过反复计算,逐渐逼近正确数值。

  但计算的条件是平板的温度完全均匀,也就是导热系数无限大,如果是印刷电路板,散热量上的差别还会更大。倘若导热能力差,平板上侧与下侧之间将会出现温差。纵向放置的话,上侧与下侧的温差会更大,最高温度将出现相当大的差别。

  水平放置时,平板上侧与下侧的传热系数不同,计算比较复杂。上侧的C值为0.52,下侧为0.26,刚好是上侧的一半。因此,下侧的散热量也是上侧的一半。这种情况需要分别计算上侧和下侧的散热量,然后相加。

  思考在尺寸为200mm×200mm×20mm的机壳内安装180mm×180mm×1mm的印刷电路板(发热功率为5W)时,图中3种情况下的散热能力。假设没有热辐射。

  大家可以将其看成是加热器。关于电路板的安装位置,下面哪种是正确的?另外,这里假设热辐射可以忽略。

  这个题目中有一点要注意,那就是空间狭窄、空气无法流动时,发生的是热传导,空间够大时发生的是热对流。划分的界限值随状态和发热量而变,大致为几毫米。如果小于该界限值,空气将无法流动,大于该界限值空气就可以流动。定性地来说,只要距离足够,空气就能循环,从而带走热能,使部件释放的热传到机壳顶面并发散出去,由此起到降温的作用。

  上面提到,当距离很小时发生的是热传导。热传导的热阻等于空气层的厚度/(传热面积×空气的导热系数),因此(a)的情况下,

  而在(c)的情况下,距离达到15mm,可以认为能充分产生对流。此时,对流的热阻增加到两个(电路板表面空气,空气机壳顶面)。按照传热系数为10W/m2K计算,

  由此可知,(a)的情况下热阻最小、温度最低。估计(b)的温度最高,原因是基本没有发生流动。

  传热系数单靠手工计算很难得到准确结果,因此,笔者试着利用热流体解析模拟进行精密计算,得到了这三种情况下电路板的温度。结果为,当环境温度为35℃时,

  这就意味着必须要避免温度最高的(b)的情况。5~7mm左右的距离难以产生对流,进行热传导时存在空气层过厚的问题,很难散热,是最好要避开的距离。安装部件的时候很容易产生这么大的缝隙,在这种情况下,不妨直接让电路板与机壳接触,通过热传导散热。

  下一次,笔者将介绍热辐射的原理和散热效果。(未完待续。特约撰稿人:国峰 尚树)

  1977年毕业于早稻田大学理工学部机械工学科。同年进入冲电气工业。从事电子交换机、迷你电脑、个人电脑、打印机、FDD等产品的冷却方式的开发和热设计。之后还曾参与开发电子产品热分析软件XCOOL(后更名为Star-Cool),CAD/CAM/CAE及综合PDM的构筑等。2007年离开该公司,成立Thermal Design Laboratory。以机电企业为中心,开展产品的热设计、工艺改革顾问、培训等。

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