电工电子设备机械结构热设计规范

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本文参考国标GB/T-31845-2015电工电子设备机械结构热设计规范

术语和定义

温度梯度：temperature gradient，等温面法线方向上，单位长度的温度变化量。

热流量：heat transfer rate，单位时间内热路上传递的热量。

热阻：thermal resistance，热路上的温差除以热流量。

接触热阻：contact resistance，接触界面间所产生的热阻。

导热：heat conduction，不同温度的物体或物体内不同温度的各部分之间，分子动能和自由电子运动所引起的一种热量传递过程。

导热系数：thermal conductivity，表征物质导热能力的参数，它等于热流密度除以温度梯度。

对流换热：heat convection，流体流过物体表面时所发生的一种热量传递过程。

自然对流：natural convection，由流体各部分温度不均匀造成的浮升力所引起的流体运动。

强迫对流：forced convection，由外力迫使流体流动的一种运动。

层流：laminar flow，流体流动时，相邻两层之间质点互不混杂，层次分明的一种流动状态。

紊流：turbulent flow，流体流动时，质点相互混杂，而无层次的一种流动状态。

当量直径：equivalent diameter，非圆截面槽道等效之圆管直径，等于 4 倍的流体流动的槽道的截面积与湿润周边长度之比。

对流换热系数：coefficient of convective heat transfer，表示流体与物体表面之间换热能力的参数。

传热系数：overall coefficient of heat transfer，表示流体在传热过程中换热能力的一个参数,它等于热流密度除以温度差。

辐射换热：radiation heat transfer，物体间以电磁波的形式辐射和吸收热量所形成热量传递过程。

黑度：emissivity，实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比值。

热环境：thermal environment，影响设备或元器件热特性的各种环境因素之总称。

传热路径：heat transfer path，热量传递的路径。

热流密度：heat flux，单位面积的热流量。

体积功率密度：volumetric power density，单位体积内的热流量。

自然冷却：natural cooling，利用导热、自然对流和辐射换热三种方式之一或其组合进行的冷却。

强迫冷却：forced cooling，利用通风机、泵或其他压力源迫使冷却介质流经发热元器件或设备的冷却。

强迫空气冷却：forced air cooling，利用通风机或其他压力源驱动冷却空气流经发热元器件或设备进行的冷却。

射流冷却：impingement air cooling，利用高压气流对发热表面进行喷射的冷却。

液体冷却：liquid cooling (or fluid cooling)，利用液体对发热元器件或设备进行的冷却。

直接液体冷却：direct liquid cooling，将电子元器件直接置于冷却液体中进行的冷却。利用液体汽化时吸收汽化热进行的冷却。

散热器：heat sink，具有扩展表面以增强电子元器件或设备散热的器件。

型材散热器：shape heat sink，用扩展表面为连续肋片的型材加工而成的散热器。

换热器：heat exchanger，用来把热量从热流体传至冷流体的一种换热装置。

冷板：cold plate，利用单种流体进行热交换的一种换热装置。

热管：heat pipe，一种靠工质相变时吸收和释放汽化潜热，并由蒸汽流动传输热量的真空密封高效传热器件。

热特性：thermal characteristic，设备或元器件的温度、压力和流量(或流速)分布随热环境及功耗而变化的特性。

静压：static pressure，静压是由于分子运动力而产生的对壁面的压力。

动压：velocity pressure，由流体运动速度引起的压力。

全压：total pressure，静压和动压之和。

体积流量：volume flow rate，单位时间内流过某指定截面的流体的体积。

质量流量：mass flow rate，单位时间内流过某指定截面的流体的质量。

热应力：thermal stress，电子元器件材料因温度引起热胀冷缩所产生的应力。

系统阻力特性：system impedance characteristic，流道系统（或机柜）中压力损失与流量的函数关系。

通风机工作点：operational point of fan，风道阻力特性曲线与风机的静压（或全压）特性曲线在同一坐标系上的交点。

热通道/冷通道：hot aisle/cold aisle，数据中心的服务器机架和其他计算设备的布局设计。热通道/冷通道构造旨在通过管理气流来节约能源和降低冷却成本。最简单的数据中心热通道/冷通道设计是在交叉行排列服务器机架，让冷空气的进口朝一边，热空气的出口朝另一边。机架前端组成的行称为冷通道,通常情况下，冷通道面向空调的输出管道。热空气输出的那一行称为热通道，通常情况下，热通道面向空调的回风管道。

热设计概述

热设计的基本原则

热设计应保证设备在规定的环境条件下长期正常运行，辅助散热所需能耗力求最低，并在短期严酷的环境条件下具有必要的安全冗余。

热设计的相关影响因素

热设计的因素包括：

  1. 环境温度和大气压力（或海拔高度）；
  2. 环境温度和大气压力（或海拔高度）的变化率；
  3. 太阳或周围物体的辐射热；
  4. 设备的热耗大小及分布情况；
  5. 冷却介质的物理特性、温度、压力和允许的压降；
  6. 机械结构的热特性等。

热量传递的基本方式

不同设备热量传递的基本方式：

  1. 自然冷却系统，一般需要同时考虑传导、对流和辐射三种传热方式；
  2. 强迫对流冷却系统，只需考虑传导和对流，辐射散热可以忽略；
  3. 对于直接受太阳辐射的室外设备,应考虑太阳辐射。

冷却方法的选择

在选择拎却方法时，应考虑设备的热流密度、体积功率密度和温升等相关因素。假设设备内产生的热量均匀分布在其有效空间中，同时充分地传递到设备表面。如设备表面热流密度小于 0.08 W/cm2 时，建议采用自然冷却方式；如热流密度超过 0.08 W/cm2 或体积功率密度超过 0.18 W/cm3 时，建议采用强迫风冷或液冷等方式。在温升为 40℃ 时，各种冷却方法适用的热流密度和体积功率密度值的范围如下图所示：

热流密度

体积功率密度（适用于密封单元内部的冷却）

针对温升要求不同的设备，也可以根据热流密度和温升关系选择适用的冷却方法,如下图所示：

热流密度与温升关系图

对于室内设备,建议按照 GR-63 标准中的推荐值,对其最大散热量进行约束。下表为设备安装条件及最大散热量约束要求。

设备安装条件及最大散热量约束要求

可触及表面的温度

热设计应保证可触及表面的温度符合 GB 4943.1-2011 或相关产品标准规定的安全要求。GB 4943.1-2011规定的可触及表面的温度限值列于下表：

设备可触及表面的温度限值

设备的温度

设备的温度与设备温升和局部环境温度有关。设备温升为设备出风口平均温度与设备入风口平均温度的差值。局部环境温度为设备内部一定空间区域中的空气平均温度。一般应满足以下要求：

  1. 在最高极限环境温度下工作时，设备内部的局部环境温度不宜超过 70℃；
  2. 对于出风口温度高于 70℃ 的设备，需要增加高温警示标识；
  3. 对户内直通风道设备，设备温升范围一般为 8 ~ 15℃；其他独立风道的设备，设备温升范围一般为 5 ~ 10℃。当设备内部热耗分布均匀时，设备温升取上限值；当设备热耗分布不均匀时，设备温升取下限值，以保证局部环境温度满足使用要求；
  4. 对户外设备，如果具备对太阳直射和其他热源辐射等的防护措施，设备温升范围一般为 15 ~ 20℃；如果无相应的防护措施，其外表面温度将会相对较高，设备温升范围一般为 5 ~ 10℃。

器件的温度

设备内部器件的工作温度满足其耐温规格是热设计的基本要求。在通常情况下,器件的耐温规格由设备可靠性预计所分解给器件的失效率确定。在设备开发过程中，为降低器件的失效率、提高设备可靠性，在器件选择时应采取一定的降额措施；具体的降额要求参见 GJBZ 27-1992。

设备的噪声

在实际使用环境中，设备的散热装置所产生的噪声对周围环境造成的影响，应满足 GB 3096 的相关规定。

冗余设计

考虑到器件个体差异导致的性能离散、热设计符合度和散热部件失效等因素导致的相对严酷环境，热设计应考虑一定的冗余度，以提高设备的环境适应能力，保证满足可靠性要求。

其他

包括：

  1. 热设计应与硬件、软件、结构、安全、电磁兼容和环境等相关系统设计并行开展；
  2. 冷却系统力求结构简单、工作可靠；
  3. 设备内部单板或热源应尽量均匀分布；
  4. 冷却系统应具有可维修性。易损活动部件应便于快速拆卸、清洗和更换。应设置提醒用户维护的标志，减少维护对设备系统运行的影响；
  5. 强迫风冷设备的风机选型及配置数量应考虑风机工作点和噪声指标，根据工作环境采用转速控制等降噪措施，满足相应标准的要求；
  6. 对散热部件的失效应有实时检测和告警措施，并具有过热保护装置规避安全风险；
  7. 应考虑材料老化等原因导致的散热条件恶化的影响,，进行适当的冗余设计；
  8. 户外设备应考虑低温启动要求；
  9. 元器件应当按其耐温规格分类布局，耐温规格较高的元器件布置在气流下游；热敏感器件应布置在气流上游，必要时采取热隔离措施。

常用散热技术

自然散热

自然散热中的传导

一般情况下，器件的热量主要利用接触面以热传导的形式散发。应通过导热界面材料（例如导热胶、导热陶瓷和导热衬垫等）减小器件与机壳间的界面热阻。界面热阻的理论计算公式如下： \[ R_\text{TIM} = \frac{\delta}{\lambda_\text{TIM}} + R_\text{c}, \] 式中：

\(R_\text{TIM}\) —— 热界面材料有效综合热阻； \(\lambda_\text{TIM}\) —— 热界面材料的导热系数； \(\delta\) —— 热界面材料的厚度； \(R_\text{c}\) —— 热界面材料与接触表面的接触热阻。

设计中应遵循以下基本原则：

  1. 尽量减少传热路径上的分界面，缩短传热路径；
  2. 增大热传导面积，增加与发热器件的接触面积，保证接触面光滑平整；
  3. 使用合适的导热界面材料，保证足够的接触压力，减少接触热阻。

自然散热中的对流

计算公式

当环境风速低于 0.2 m/s 时，可认为是自然对流。对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算： \[ Q = hA(T_\text{w} - T_\text{f}), \] 式中：

\(Q\) —— 对流换热的热流量，单位为瓦（W）; \(A\) —— 与热量传递方向垂直的面积，单位为平方米（m2）； \(T_\text{w}\) —— 固体壁面温度，单位为开尔文（K）； \(T_\text{f}\) —— 流体的温度，单位为开尔文（K）； \(h\) —— 对流换热系数，自然对流时换热系数在 1 ~ 10 W/(m2·K) 量级，一般不会超过 3 ~ 5 W/(m2·K) 。

自然对流散热设计的基本原则

自然对流散热设计的基本原则如下：

  1. 确保自然散热设备、单板、散热器之间的空间距离,以减少对流热阻；
  2. 采用肋片等表面扩展技术增加对流换热表面积；
  3. 增加散热物体与外界环境之间的温度差；
  4. 增加通风孔（通常在顶部开出风孔，底部或侧面开进风孔，形成气流合理风道）；
  5. 有通风孔的自然对流设备，出风面积应大于进风面积；

在一定功率和温升限制条件下，自然散热设备的强化散热措施主要是通过有效扩展散热表面积。常用的方式有：

  1. 散热器齿厚和齿数优选；
  2. 增加表面波纹、凹槽或突起等结构，扩展表面积；
  3. 采用高效散热器；
  4. 表面喷涂高效散热涂料。
通风孔设计的基本原则

通风孔设计的基本原则如下：

  1. 通风孔的开设要形成有效的自然对流气流通道,进风孔与出风孔应远离，以避免气流短路；
  2. 进风孔尽量对准发热元器件；
  3. 进出风孔设计要满足电磁兼容要求；
  4. 开孔率和当量直径尽可能大，常用开孔形式有：圆孔、方孔、长条孔、十字条孔和异形孔等；
  5. 出风口面积与进风口面积的比值大于 1.1 ~ 1.2。

自然散热中的辐射

辐射散热

高温器件可以通过热辐射将部分热量传递给机壳，机壳对辐射热的吸收强度和表面的辐射率成正比。同样，机壳可以通过热辐射将设备的部分热量传递到外界低温环境中。辐射换热理论公式： \[ Q = 5.67\times 10^{-8}\varepsilon A T^4, \] 式中： \(Q\) —— 辐射换热的热流量，单位为瓦（W）; \(T\) —— 物体的绝对温度值，单位为开尔文（K）； \(A\) —— 辐射表面积，单位为平方米（m2）； \(\varepsilon\) —— 表面的黑度或发射率（这里主要指红外波段的发射率），其值总小于 1。该值取决于材料热物理性质相关参数、表面温度和表面状况，与颜色无关。

辐射散热设计的基本原则如下：

  1. 选用辐射率高的表面，保持光亮，减少吸收其他物体的辐射热量；
  2. 增加需散热的物体散热表面积；
  3. 增加需散热的物体与外界环境之间的温度差。
太阳辐射对户外自然散热的影响

对于户外设备，太阳辐射是热设计中首要考虑的因素。与物体本身的长波热辐射不同，太阳辐射的能量主要集中在可见光（0.4 ~ 0.76 µm）、红外线（> 0.76 µm）和紫外线（> 0.4 µm）等短波波段。

户外自然散热设备主要散热方式是依靠设备表面与外界环境的对流与辐射换热，设备表面特性对太阳辐射能量的吸收程度对其自然散热影响相对较大。

对于户外自然散热设备，可采取措施降低设备表面对太阳能的吸收率，减少对室外环境中太阳辐射能量吸收，保证足够高的表面发射率以增强辐射散热。不同表面太阳辐射吸收率及红外发射率见下表：

表面 太阳辐射吸收率 红外发射率
抛光铝 0.03 0.05
表面氧化的铝 0.40 0.30
黑色漆 0.92 0.90
棕色漆 0.88 0.90
浅棕色漆 0.80 0.90
红油漆 0.74 0.90
浅色涂料 0.50 0.90
银色漆 0.25 0.90

减少户外设备受太阳辐射影响的方法有：

  1. 阻挡阳光的直射和反射，如遮阳篷、遮阳罩等；
  2. 避免阳光的直射和反射：自然散热设备尽量安装于建筑物的背阴面；
  3. 表面使用对太阳辐射中可见光部分吸收比低的涂料。

自然散热传热路径控制

自然散热时，设备内部的主要传热方式宜采用传导，并尽量减小发热器件到机壳的传导热阻，不宜采用辐射作为主要传热方式。

注：对封闭式设备的自然散热，内部可考虑采用风机以强化内部空气对流，防止出现局部热点。

强迫风冷

风道设计

风道设计的基本原则

根据散热方式的不同，风道可以分为自然散热风道和强迫散热风道；对于使用空调/热交换器的系统，可分为内风道和外风道。

风道设计的基本原则是：

  1. 降低压力损失，保证有足够的空气流量通过发热源；
  2. 保证流过关键热源的风速；
  3. 防止风道中产生空气回流；
  4. 防止空气短路；
  5. 防止设备中发热部件的相互影响。

风道设计应注意的基本要求：

  1. 应尽可能减少压力损失；
  2. 应避免风道的骤然扩展和骤然收缩；
  3. 风道应尽可能简洁通直，避免过多弯转，在气流急剧转弯的地方，应采用导风板或者导流插箱使气流逐渐转向，以实现流场的均匀分配；
  4. 风道中下游的过流截面积应大于上游的过流截面积；
  5. PCB 插板的导轨和加强筋尺寸应尽可能小；底板、屏蔽板、隔热板、PCB 板和电缆的位置应使气流畅通，避免阻断或妨碍空气流动；
  6. 当大功耗器件位于单板进风口位置时，在布局上应避开导轨或加强筋的流场影响区域；风机附近不应存在大尺寸障碍物，例如 PCB 板导轨和支撑横梁设计要减小噪声和风阻；不能避免障碍物时，应尽可能增大障碍物与风机的距离；
  7. 对于进出风口的通风网孔，在满足电磁兼容和强度等其他要求的前提下，开孔率应尽可能大。在开孔率相同的情况下，应尽可能选当量直径大的孔，推荐采用六边形蜂窝孔；
  8. 对于上下风道，风道的进风口尽可能靠下，同时应适当距离地面一定的高度，一般距离地面应不低于 20 cm；
  9. 应尽可能使风量在系统中均匀分布。对于有集中热耗的设备，可根据具体情况，集中冷却发热区域。在局部低速区或回流区，应避免发热量大的器件布放。对于风道不均匀的地方，需要采用导流板、阻尼网孔或者其他匀流结构以改善风量的分配；
  10. 当设备热耗大时，应避免风道出风口正对设备正面人员操作的高度位置；
  11. 合理利用走线空间，在允许的情况下走线架应考虑作为进风空间。
风道形式
插箱系统的风道形式

插箱系统的典型风道形式如下图所示。推荐采用“前进-后出”、“前下进-后上出”和“前下进-顶出”三种风道形式。

插箱系统的风道形式

机柜系统的风道形式

针对机柜，其风道形式宜符合 ETS 300 119-5 的相关规定。常用的风道形式主要有以下几种，见下图。推荐采用前进-后出及前进-顶出的风道形式。注：如柜前为玻璃门，允许机柜后门进风。

机柜系统的风道形式

风道的选择

当插箱热耗在 300 W 以下时，可以由多个插箱组成一个风道，热耗小的插箱位于机柜底部；对于插箱热耗大于 500 W 时，优先采用独立的风道。如果可行，也可以两个插箱组成一个风道；对于热耗大于 1000 W 的插箱，建议采用独立的散热风道。

风道的密封与隔离

风道应有明确的进、出风口，其余部分应密封，风道各部分应实现无缝连接；对于不同的风道，例如自然散热的风道与强迫风冷的风道、自带冷却的模块与其他的风道等应相互隔离；不同的风道之间，还应防止气流短路，避免一个风道的出风成为另一个风道的进风。

在插箱（子架）中，当有空槽位时，应安装假面板；假面板上应装挡风板来模拟单板流阻以防止流体的短路，且对插箱（子架）中挡风板下游其他部分单板（模块）的散热影响最小。

风机的选型、安装与调速控制

风机选型的流程与原则

风机选型的流程： 第 1 步：根据设备的热耗及阻抗计算系统所需的风量； 第 2 步：计算设备的压力损失； 第 3 步：选择一款 P-Q 性能合适的风机，根据上面两步得出的风量和风压要求，确定其应用数量及串、并联形式，确保风机工作点处在合理的区间； 第 4 步：确定风机的工作电压、电压范围、防护等级、信号方式、调速方式、噪声等。 应根据上述第 3、4 步的结果反复调整,直至满足要求。 风机选型的基本原则：

  1. 选择最佳工作点

风机的总压力用以克服设备（或通风管道）的阻力，并在出口处形成一定的速度。下图中 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三条曲线分别代表不同设备（风道）的阻力特性曲线。设备（风道）的阻力特性曲线与风机的特性曲线交点即为风机的工作点。如果风机安装在系统 Ⅱ 中，其工作点为 B，风量为\(~Q_\text{vB}\)（m3/s），风压为\(~P_\text{B}\)（Pa）。

为了使风机的效率最高、噪声最低，轴流风机的最佳工作点在风机特性曲线的后 1/3 部分，即风量大、风压低的区间（下图）。如果风量足够的话，也可以在前面的 1/3 部分，即风量小、风压高的区间；但是要避免在中间的不稳定区。离心风机的最佳工作点在风机特性曲线的中间偏前 1/3 部分。

风机特性曲线与工作点

  1. 合理运用风机的串联和并联

当所选风机的风量或风压不能满足要求时，可采用串联或并联的工作方式。串联或并联的合理使用，还可提升风机设备的冗余性能。

当风机的风量能满足要求，而风压不足时，可采用风机串联的工作方式，以提高其工作压力。风机串联时，其风机特性曲线发生变化：风量基本上是单台风机的风量，而风压理论上则为相同风量下两台风机风压之和，但实际往往会略小，如下图 a) 所示。

当风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而总的风量理论上是各风机风量之和，但实际往往会略小，如下图 b) 所示。当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。并联系统的优点是气流路径短，阻力损失小，气流分布比较均匀，但效率低。

风机的串联和并联

风机的安装

设备中风机的位置会影响到系统内部的流场等，设计时应关注以下几点：

  1. 风机与被冷却单板的距离

强迫风冷中，风机出口的增压均流空间要大于 1/4 风机直径。同时，风机距离被冷却单板至少要大于 0.5 倍的风机厚度。对于吹风，风机与被冷却单板的距离建议大于 1U，推荐为 2U；对于抽风，该距离建议为 1U；风机的进风空间（吹风）和出风空间（抽风）要求不小于 1U。

  1. 风机与防尘网的距离

风机与防尘网之间的距离应保持在 10 mm 以上。

  1. 吹风

吹风适用于热量分布不均匀，需要对专门区域进行集中冷却的情况。

  1. 抽风

抽风方式适用于阻力较大的系统。

  1. 降噪

风机的固定安装应采用橡胶螺钉、橡胶垫圈等减振降噪措施。

风机的工作环境和寿命

风机的工作环境温度一般为 -20 ~ +70℃，并应根据工作环境规定相应的防水、防尘和防盐雾等要求。

风机的寿命一般由加速老化试验推算得出。不同制造商采用的计算方法、测试温度可能各有不同。在比较不同制造商风机寿命时，应采用相同的计算方法，并推算到相同工作温度下进行比较。一般来说，通信机柜所用风机要求工作温度为 40℃ 时，寿命应大于 7 万小时（采用工作温度每升高 10℃，寿命下降一半的计算方法）。

判断风机失效的常用依据：

  1. 风机停转或风机的实际转速小于目标转速的 20%；
  2. 风机的噪声突然增大。
风机转速控制

对于强迫风冷的设备，一般要求对风机进行转速控制，实现环境温度与风量良好匹配，降低系统噪声。风机转速控制的依据可以分为：

  1. 进风口的空气温度（一般为环境温度）；
  2. 出风口的空气温度；
  3. 关键芯片（或附近的监控芯片）检测温度。

考虑到可靠性和准确性，一般推荐采用进风口空气温度和关键芯片（监控芯片）的温度作为风机转速控制的依据。风机转速控制的方案,常见的主要有：

  1. 方案 1：启停控速。风机设置开、关两种状态,根据系统散热状况在全速或停转之间切换。当环境温度（监测温度）高于某一值\(~T~\)时，风机开启，全速运行；当低于某一值”\(T -\Delta T\)”时，风机停转。\(\Delta T~\)是为了避免转速在切换点的波动所设置的一个回滞温度，一般推荐为 2 ~5 ℃。启停控速曲线如下图所示。

启停控制曲线

  1. 方案 2：两段控速。风机设置全速、半速（或为根据需要确定的固定转速）两种状态。当环境温度（监测温度）高于某一值\(~T~\)时，风机全速运行；当低于某一值”\(T -\Delta T\)”时，风机半速运行。两段控速曲线如下图所示。

两段控速曲线

  1. 方案 3：多段控速。风机设置多种转速状态，对应多个温度切换点。方案 3 可视为方案 2 的扩展，适用于比较复杂的系统。其控速曲线如下图所示。

多段控速曲线

  1. 方案 4：线性控速。根据温度变化线性地控制风机转速。其控速曲线如下图所示。

线性控速曲线

对监控点是环境温度的情况，\(T_\text{Low}~\)一般取常温，如 25℃，而\(~T_\text{High}~\)一般可取产品长期工作温度的上限。\(X\%~\)则根据设备常温情况下的散热及噪声测试的情况综合确定。在制定转速控制策略时，设定的每个转速区间应为产品最常见的工作温度区间,以避免风机频繁变速。温度传感器测温范围应能满足在产品的环境规格下系统内部温度分布的情况，以较为 2℃ 合适。

热交换器选型

热交换器是户外设备常用换热部件，通常采用空气/空气热量交换，以及空/液、液/液热交换。

根据冷热空气（或液体）在热交换器内的流动形式，一般可分为顺流、逆流和交叉流等类型。不同的介质流动形式，热交换器内的换热效果不同。逆流热交换器,热流体介质可以达到更低的温度，甚至低于冷流体的出口温度;而顺流热交换器，热流体的温度只能接近冷流体的出口温度，无法得到更低的出口温度。应优先选用逆流热交换器。

热交换器的综合换热系数，即换热量与温差的比值，反映热交换器的综合换热能力，单位为 W/K 或 W/℃ 。

通常取内循环的回风温度同环境温度的差值标定热交换器的换热系数。对特定的热交换器，设计不同的温差对应不同的换热量，描述温差与换热关系的曲线为热交换器的性能曲线。典型热交换器的性能曲线如下图所示。

热交换器性能曲线

说明： \(\Delta T\) —— 温差，单位为开（K）； \(Q\) —— 热耗，单位为瓦（W）； \(q_\text{v}\) —— 热容（又称换热系数），单位为瓦每开（W/K）； \(A\) —— 芯体表面积，单位为平方米（m2）。

在已知设备的热负荷为\(~Q=1700~\text{W}\)，机柜内外温差为\(~\Delta T=15^\circ \text{C}\)，机柜的传热系数为\(~K=5.5~\text{W/(m}^2\cdot\text{K})\)，机柜的传热表面积为\(~F=8~\text{m}^2~\)时，根据性能曲线可以确定需要的热交换器换热系数为\(~70~\text{W/K}\)。

热交换器在机柜上的典型安装方式有温控设备顶置、侧装以及门装三种，如下图所示。

热交换器安装形式

防尘网选型

防尘网的性能参数

一般可以用过滤效率、阻力、容尘量三个指标反映评价防尘网的性能。

过滤效率是指在特定流速下，过滤介质可以阻止灰尘微粒的百分比。不同标准所规定的过滤效率测试方法有很大的差异。对同一种过滤介质用不同的方法进行测试,测得的效率值就会不同。

阻力是指气流经过防尘网时,在防尘网前后所形成的压降大小。防尘网的压降、流速与过滤介质的材料紧密相关。每种过滤介质在特定速度下的压降不同,应参照过滤介质的风速一压降曲线（风阻曲线）进行设计。当阻力增大到某一 规定值时，防尘网失效，应更换或清洗防尘网。新防尘网的阻力为”初阻力”；对应防尘网失效时的阻力为“终阻力”。终阻力影响防尘网的使用寿命、系统风量变化范围、系统能耗。大多数情况下，终阻力应是初阻力的 2 ~ 4 倍。

容尘量指防尘网达到终阻力时，容纳粉尘的多少，一般以重量表示。容尘量直接影响到防尘网的使用寿命。一般来说，具有立体网格结构的过滤介质的容尘量高于平面结构的过滤介质。

防尘网的选择

选择防尘网应考虑的因素：

  1. 与产品应用环境有关的防尘网性能；
  2. 匹配防尘网通风量与系统风量要求；
  3. 防尘网的大小（长、宽、厚度）；
  4. 防尘网应满足的标准。
防尘网的一般要求

防尘网的一般要求如下：

  1. 防尘网应有效降低灰尘和昆虫进人的可能；
  2. 防尘网至少应具有 UL94 HF-2 的可燃性等级；
  3. 室内设备防尘网应至少可抑止 65% 的尘埃（高度在 2U 以上的设备，其防尘网抑尘率应在 80% 以上）；
  4. 防尘网应定期维护和清洗，维护间隔取决于用于的设备和其工作环境；
  5. 防尘网的设计应做到在不影响设备运行的情况下便于更换和清洗。

强迫风冷设备的噪声控制

强迫风冷设备噪声控制的原则是：

  1. 在满足系统散热要求的前提下，尽可能选用转速较低的风机；
  2. 采用风机转速控制策略，使得不同的散热需求下配备不同的风机转速，实现风机噪声的最小化；
  3. 配合风机选型的合理风道设计，使风机尽量工作在低噪声区域（轴流风机应尽量工作在 P-Q 曲线的后 1/3 段，离心风机则应尽量工作在 P-Q 曲线的前 1/3 段），避免风机工作点落在风机的不稳定区（也称失速区）。下图显示了轴流风机与离心风机工作点与噪声的变化关系。

轴流风机与离心风机工作点与噪声的变化关系

  1. 加大风机的出风口与结构件的距离，避免风机进风口面及出风口面附近有障碍物。一般情况，出风区的障碍物产生的噪声值较低，而进风区障碍物产生的噪声值较高。障碍物距风机进风口面最小距离应大于 0.5 倍风机厚度，建议大于 30 mm；
  2. 风机的马达区域应避免有障碍物；
  3. 应加强风道中结构件强度，减少机械振动噪声；防止机柜的振动频率与风机的转动频率形成叠加，造成共振现象；

在安全允许的情况下，可去除风机的防护罩，粘贴警示标识；或者用风阻较小的防护罩代替风阻较大或加工中易出现尖锐边角的防护罩（下图左），推荐光滑的钢丝网式、蜂窝网孔形式（下图右）；

风机造型

  1. 避免风道中风速较高的区域存在缝隙，防止产生啸叫；
  2. 在风速较高的区域，可采用吸音棉吸音降噪。

强迫风冷散热常用的主要措施

强迫风冷散热常用的主要措施有：

  1. 增加有效散热面积。例如，在芯片表面安装散热器；将热量通过引线或导热绝缘材料传导到 PCB 板上，利用周围 PCB 的表面散热；
  2. 提高过流表面风速，增大对流换热系数；
  3. 增加扰动，破坏层流边界层：
    1. 紊流的换热强度是层流的数倍；
    2. 换热壁面上的不规则凸起可以破坏层流状态。
  4. 尽量减小导热界面的接触热阻。在接触面可以使用导热硅胶（绝缘性能好）、导热硅脂或铝箔等材料。

强迫风冷设备的热管理原则

根据环境温度，设备应可以进行风机调速，以达到降低噪声和节能的目的。同时应考虑降低风机损坏、防尘网堵塞等所导致的设备温度过高的散热安全风险，并采用热管理措施。以下三种热管理方法可以组合使用，也可以只用其中的一种：

  1. 对强迫通风设备每个风机的运行状态进行实时检测，若检测到任一风机故障时，则设备应自动将设备中其余所有的风机提速到最大转速；
  2. 监控设备出风口的温度，当温度过高时立即报警；
  3. 在设备中重要单板、芯片处安装温度传感器，当温度过高时立即报警。

其它散热技术

液冷技术

液冷方式分直接冷却和间接冷却两种型式。

直接冷却，即冷却液与被冷却的电子器件或模块直接接触。设计直接液体冷却系统时，应注意冷却液的黏度、冷却液的稳定性、机壳的强度及密封性能、元器件的排列。

间接冷却，即借助冷板及换热器等部件，使电子元器件或者局部环境内空气的热量得到有效的散失，从而获得满意的许用温度。采用间接液冷时，应注意使电子元器件或模块与冷板间保持良好的接触，确保热量有效传递。且冷却液一般应采用综合性能较好的水，推荐采用去离子的蒸馏水。

热电致冷

热电致冷（半导体致冷），是指利用半导体的帕尔帖效应，借助于电子（空穴）在运动中直接传输能量来实现致冷（或制热）。

热电致冷模块一般由热电堆、冷却基板、散热器组成。通常-一 级致冷最大能得到 50℃ 左右的温差，如果需要较大的温差，可采用多级半导体致冷。

设计时应考虑其适合的场合与条件：

  1. 适用直流电源；
  2. 加热效率可大于1；
  3. 需要高可靠性能；
  4. 不需要致冷剂等。

其不适应的场合与条件

  1. 对工作效率要求的较低；
  2. 对重量和体积有限制要求等。

相变蓄热

相变蓄热是指利用相变材料的潜热，达到能量储存的目的，利于实现节能和温度控制。

设计时应注意其主要应用于空调蓄冷、电子器件控温等。

机房热管理技术

概述

机房热管理是指将设备和机房作为一个整体，对机房内的热流进行研究、规划和管理，通过将机房的空调制冷系统与设备的通风散热系统实施合理配置，在为设备提供所需工作环境的条件下，达到节能降耗的目的。

机房热管理基本原则

机房规划

规划原则

规划原则是：

  1. 优先考虑设备，其次考虑环境；
  2. 冷热通道独立设置。
机房分类

按机房的功率密度，分为高密度机房、中密度机房和低密度机房，其单位面积功耗、单机柜功耗等控制指标见下表：

序号 机房类型 单位面积平均功率 单机柜最大功率
1 高密度机房 ≤ 1.6 kW/m2 ≤ 8 kW/柜
2 中密度机房 ≤ 1.2 kW/m2 ≤ 3 kW/柜
3 低密度机房 ≤ 0.8 kW/m2 ≤ 2 kW/柜
机房排列

机房机柜布置宜采用“面对面、背对背”的排列方式，即相邻两列设备的吸风面（正面）安装在冷通道上，排风面（背面）安装在热通道上，如下图所示。在冷热通道端头可设置不到顶的垂直挡板，将冷热通道进行隔离，该措施不应对气体灭火喷头产生阻挡。

机柜正确排布，构成冷热通道

走线架要求

机房线缆布放时应采用走线架，不宜采用走线槽道。走线架应安装在机柜上方，不应安装在热通道上方。

设备列间距

设备柜列间距应考虑安装、运行和维护空间，以及机柜装机功率密度的大小。采用上送风方式时，根据风速和机柜装机功率计算列间距，最小间距不宜小于 800 mm。采用下送风方式时，冷通道布置地板送风口在满足设备维护空间的前提下，还要满足两列机柜的风量需求。单机柜平均发热量约为 2 kW 时，机柜间距宜为 900~1000 mm；单机柜平均发热量约为 3 kW 时，机柜间距宜为 1000~1200 mm；单机柜平均发热量约为 5 kW 时，机柜间距宜为 1500~1800 mm。

架空地板高度

下送风方式的架空地板高度（含地板厚度）不宜小于 400 mm，小于此值时下部区域不可作为静压箱考虑。

静压箱的作用是稳压、降噪，并把部分动压变为静压使风量均匀分配。静压箱的设计应考虑总风量时通过三个截面中的任意-一个的风速不应大于 2 m/s.

机柜内挡风板

当机柜内未装满设备时，未安装设备的位置应统一安装挡风盲板（假面板），以防止冷空气直接由该位置进人热通道。

机房冷却方式

对于中心机房，一般采用空调上送风或下送风两种冷却方式，根据送风方式的不同可采用风管、冷热通道封闭等方法或措施提升冷量利用率。对于采用空调的通讯基站机房等小型机房，可根据环境因素选择智能新风、智能换热等节能措施。

地板下送风方式

地板下送风方式气流模拟情况如下图。

地板下送风气流图

采用地板下送风方式时，应采用上走线形式。地板下不应布放任何通信或电源线等相关线缆（消防用线缆除外）。

架空地板应采用阻燃材料制成，并具有良好的防静电、防老化及防龟裂性能。架空地板的支架结构设计应满足抗震和设备的承重要求。

为避免楼板凝露，可对楼板进行保温处置，并送风温度不宜太低，其温度可根据焓湿图设定。

风帽上送风方式

一般不推荐采用。

风管上送风方式

风管上送风方式应设置连通风管，保证任一台空调出现故障后，机房内部不出现明显的送风不均匀情况。

风管上送风方式设计应综合考虑风管、风口、气体灭火管道、照明灯具，以及与走线架等专业的布置。

精确送风

精确送风系统，主要由机房空调、送风管道、调节阀、封闭结构件及机房智能监控系统等共同组成。

其中，机房智能监控系统主要由空调联动监控系统、机架温度和送风阀监控系统、机房温控管理系统组成。

精确送风的机房布局形式有：

  1. 风管精确上送风

通过上送风恒温恒湿空调、风管、风量调节阀、门板式送风器等设备把冷风直接输送至机柜内，单机柜密度建议 2~3 kW。机房布局如下图所示。

风管精确上送风机房布置

  1. 精确上送风+冷通道封闭

通过上送风恒温恒湿空调、风管、封闭冷通道（冷池）等设备把冷风输送至冷通道区域内，冷通道二次均压后，进入机柜冷却设备，单机柜密度可以达到 5 kW。机房布局如下图所示。

风管精确上送风+冷通道封闭机房布局

  1. 精确下送风

通过高架地板形成的静压箱或下送风管道将冷风直接从机柜底部或附加的送风柜底部送人设备，如下图所示。

精确下送风示意图

  1. 冷通道封闭

通过地板下送风，机柜的冷通道被封闭形成冷池，单机柜密度可达到 8 kW。机房布局如下图所示。

冷却道封闭机房布局

智能新风

智能新风设备是通过智能控制将外部冷空气经过净化、处理后引入机房，排出机房内部热空气的空气调节系统。其本身不带任何制冷元件，利用室外自然冷空气实现室内风冷降温。

智能新风设备主要由进风装置、过滤装置、排风装置、加湿装置（可选）、控制器、环境监测传感器和其他安装附件组成。

智能新风设备硬件应具有高可靠性，整个设备的平均故障间隔时间（MTBF）不低于 20000 h，使用寿命不小于 10 年。

智能新风设备的应用，应满足下列要求:

  1. 密封性要求：
    1. 应具备隔离装置，防止雨水、动物等的人侵;
    2. 停止工作时，应做到室内外空气隔离，进风装置及排风装置安装后开孔处应设有风阀，并在冬季做保温处理；
    3. 运行时，室内应维持一定正压，与室外静压差不应小于 5 Pa。
  2. 噪声要求：在额定工作状况下，新风设备的噪声要求见下表：

新风设备工作噪声要求

  1. 过滤器要求：
    1. 配置的过滤器应符合 YD/T 1821-2008 中规定的洁净度要求；
    2. 面积要根据风量、风速、容尘量指标具体配置；
    3. 断面风速应控制在 1.5 ~ 2 m/s 范围内；
    4. 应可清洁并重复使用，清洗后过滤效率、阻力等指标应满足 GB/T 14295-2008 的相关要求。

对于小型新风设备，应采用两级过滤，第一级用于阻挡昆虫;第二级过滤器过滤等级应高于 G4（EN 779-2002）标准。

小型新风设备在额定风量下工作，第二级过滤器告警，需要更换或清洁维护时的容尘量指标，不应小于下表中的要求。

智能新风设备第二级过滤器容尘量要求

除防虫网外，对于中大型新风设备,应采用多级过滤。

  1. 智能监控要求：
    1. 实时监测室内及室外温度、湿度;在确保机房环境的前提下，依据室内外温湿度，控制风机、空调的切换运行。
    2. 应具有有效防止新风设备与空调频繁切换的功能。新风设备与机房空调切换间隔时间应不小于 35 min；
    3. 应具有来电自启动功能；
    4. 外围传感器配置及要求见下表：
类型 精度要求
室内、室外温度传感器 优于 3%
室内温度传感器 优于 5%
压差计 优于 5Pa

机房冷却方式选择

应通过对机房装机率、功耗、维护、送风方式、能源管理、可靠性、经济性等方面综合评估后确定机房的冷却方式。

对于中心机房，风帽上送风方式不宜应用在新建机房，但可应用于解决局部过热点且改造对机房影响较小的情况。

对于小型机房，可选用智能新风或智能换热等技术。小型机房也可以通过分区温控方式进行精细化冷却。

关键散热部件及导热界面材料

散热器

散热器的设计

散热器的设计流程

散热器的设计流程如下：

第 1 步：收集元器件的热流密度、体积功率密度、温升要求及散热方式（自然冷却或强迫风冷）等信息。

第 2 步：根据器件功耗、环境条件及器件温度降额要求的允许结温，确定散热器的形状并计算出散热器的表面积、热阻等参数。

第 3 步：根据计算得到的散热器的形状、表面积和热阻等参数，选择合适的散热器，或设计新的散热器。散热器选择或设计好后，可以根据实际的单板和系统布局情况建立热仿真模型，进行热仿真模拟分析，验证散热器是否满足散热要求；

第 4 步：根据单板的布局，选择合理的固定方式及界面材料，完成样机并进行测试。

散热器的一般设计要求

散热器的一般设计要求如下：

  1. 表面应设计以增强辐射换热效果的涂敷，但器件附近有高热源的情况除外；
  2. 材质一般推荐选用铝型材、铸铝或紫铜；
  3. 铝型材散热器的齿面应加波纹齿，型材散热器的肋片表面的波纹齿推荐高度为 0.5 mm、宽度为 0.5~1 mm；
  4. 应保证铝型材散热器基板有一定厚度，以减小传导热阻；
  5. 流向长度大于 300 mm 时，应把散热器的齿片从中间断开，以增加空气扰动。

散热器的安装要求

散热器的安装要求如下：

  1. 器件与散热器的接触面应保持平整光洁，散热器的安装孔应去毛刺；
  2. 器件与散热器或导热绝缘膜间的所有接触面处应涂导热硅脂或加其他导热绝缘材料（对免涂导热硅脂的导热绝缘膜，可忽略此要求）；
  3. 对于自然冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与水平面垂直，以增强自然对流效果；对于强迫冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与风的流向平行；
  4. 为了减少器件与散热器之间的接触热阻，应适当增加接触力；
  5. 为避免使元器件受力，散热器应有适当的固定支撑点。

热管

概述

热管的构成与不同类型热管的比较参见附录 C。

热管的应用场合

以扁形嵌人散热器的底部应用。将热管折弯，与外部或远端的散热器相联结，可解决在设计空间受到限制的情况下，大热耗器件（芯片）的散热问题。

热管的选择安装

应考虑：

  1. 根据具体应用场景，考虑工质和毛细结构等因素，选择合适类型的热管；
  2. 根据热源功率，选择合适的热管规格和数量,防止热管失效；
  3. 尽可能少打扁和折弯，应折弯时，折弯半径尽可能大；
  4. 热管与散热器（肋片）的联结，一般用焊接，不宜采用过盈配合；
  5. 当热管散热器用在户外产品中直接暴露在空气中时，要进行适当的涂覆处理以防止腐蚀。

导热界面材料

概述

导热界面材料是元器件与散热器安装时必不可少的一种重要材料，在器件与散热器之间起填充作用，它可以只起导热作用，也可以兼有导热和绝缘两种作用。

导热界面材料一般由基片/基材及填充料构成,基片/基材主要是为了物理加强，提高介电强度。基片/基材的种类如玻璃纤维、聚脂、硅橡胶或它们的组合；填充料是为了改善导热界面材料的导热性能而填人的高导热性能物质，如\(~\text{Al}_2\text{O}_3\)、BN、BeN 等。

导热界面材料的性能与参数

导热系数

导热系数的测试方法按 ASTM D5470 进行。

热阻

主要取决于下列几个因素：

  1. 配合表面的平面度和平滑度；
  2. 配合表面两者之间的接触压力；
  3. 导热界面材料的厚度、导热系数和一致性。
连续使用温度

应符合产品的使用环境范围，一般要求导热垫片至少能够在\(~-40\sim 150^\circ\text{C}~\)情况下长期稳定的工作。

硬度和可压缩性

导热垫片和芯片直接接触情况下，需要其有较低的硬度。

导热垫片压缩范围一般为 10%~30%，要求最大变形时压力不超过 100 psi （1 psi = 6.895 kPa）。

击穿电压

当需要考虑器件和金属散热器之间的电气绝缘时，应考虑导热界面材料的击穿电压，该值按照 ASTM D149 规定进行测量。击穿电压值愈大，材料的耐压程度就愈好。影响导热界面材料击穿电压的因素，包括材料的厚度、接触表面的面积、温度、湿度、作用在绝缘材料上的机械应力、局部放电等。

导热界面材料的种类

导热界面材料的种类和使用要求参见附录 D。

热测试

热测试的目的

热测试的目的是对热设计的效果进行检验，对散热系统的适用性和有效性进行评价。除了检查新设计的散热系统是否达到预定技术指标外，还要对不同场景下的发热元器件、插箱、机柜系统等的热特性参数进行测量，为热设计方案改进提供技术数据。

热测试的内容

测试内容主要包括规定环境下系统和功率元器件热特性参数、安全冗余以及风机调速策略、噪声和防尘等相关性能。

温度是影响设备热可靠性的重要因素，元器件的失效率随温度升高呈指数型增加。通常对设备内部指定区域或热敏感元器件进行温度测量，以评价其热应力和热特性。

热测试方案的制定

热测试项目一般包括:

  1. 长期工作温度、高温、低温等环境适应性；
  2. 针对强迫风冷设备，验证风机调速策略的设备需求符合性；
  3. 低温加热及保温；
  4. 不同工程环境下的散热、噪声与防尘等性能；
  5. 电压拉偏、风机失效和工程维护等异常工况的安全冗余能力。

测试环境

设备热特性与配置和工作环境等因素相关，应当根据不同应用场景和需求进行热测试，也可按照严酷环境进行极限测试验证。一般要求在设备达到热平衡后记录相关数据。模块或部件的工作环境通常是指设备在规定环境下，模块或部件所处的局部环境。

测试点的选择

测试点一般应选择在：

  1. 设备的进、出风口；
  2. 设备内部较严酷的局部环境，或关键元器件和散热部件所处位置；
  3. 系统内模块和散热器等周围；
  4. 热敏感器件。

常用测试设备

常用热测试设备适用范围见下表：

仪表名称 适用范围
热电偶十数据采集仪 对关键器件以及设备内部空气温度重点测试和监控
红外热像仪 可全面了解设备内部温度场
风洞 风机PQ性能测试、系统风量测试、系统阻抗测试等。还可提供定流量做热传实验
热线风速仪 适用于空气流速、温度的简易测试

传感器安装位置

测试器件表面温度时的安装位置

通常选择最靠近热源的表面进行温度测量，如下图所示。圆柱形器件，例如电解电容，测温点选取在顶部；半导体器件，主要根据器件资料上所提供的热阻值来确定测量位置。

常用测温位置

测试空气温度时的安装位置

测试空气环境温度时，推荐将传感器布置在距设备表面中心 150 mm 处。如测量系统中可能存在的最高空气温度时，应将传感器布置在大功率热源或存在涡流的区域。

测试器件局部环境温度时，应将传感器布置在器件来流方向距器件前上方（45°）约 2 倍器件长度距离处，如下图所示。

如果上游存在其他器件，则应布置在两个器件间距的中心位置。

测试局部环境温度时传感器布置图

测试 PCB 温度时的安装位置

当系统中存在大热流密度的器件时，为避免 PCB 过热，需测试 PCB 的温度。测试时，应将传感器布置在器件较长边中心位置，可焊接在该位置紧贴器件的 PCB 走线上，不得将热电偶结点焊接在两个电势不同的走线上。对 BGA 封装器件，应将传感器安装在 PCB 背面对应器件的中心位置。

测试功放管时的安装位置

功放管的结温一般应通过测量器件壳温、散热器温度或周围空气温度推算出器件的结温。测量壳温时，测量点应尽量选取靠近结的地方，其中结的分布依据封装形式各异，如下图所示：

功放管内部结构图

依据功放管封装形式不同，测试点可选在表面封装的中心位置、塑料封装气孔处、与散热器接触的管座表面或其安装螺栓上。

附录 A 热设计常用计算

机箱（柜）表面自然对流散热

对在海平面任意方向尺寸小于 600 mm 的机箱（柜），表面的自然对流换热可以用下列简化公式计算： \[ Q_2 = 2.5CA\Delta T^{1.25}/D^{0.25}, \] 式中：

\(Q_2\) —— 表面自然对流散热量，单位为瓦（W）； \(C\) —— 系数，水平板时，热面朝上为 0.54，朝下为 0.27；竖平板时为 0.59； \(A\) —— 散热面积，单位为平方米（m2）； \(\Delta T\) —— 换热表面与流体（空气）的温差，单位为摄氏度（℃） \(D\) —— 特征尺寸，对于竖平板或竖圆柱，特征尺寸为高度\(~H\)，其它，为(长+宽)/2，单位为米（m）。

机箱的开孔设计

当表辐射换热量和表面对流换热量之和，小于机箱（柜）的总功耗时，应在机箱（柜）。上开通风孔，使冷空气从机箱（柜）的底部进入，热空气从顶部排出。通风孔的面积为： \[ S = (Q-Q_1-Q_2)/(2.4\times10^{-3}\cdot H^{0.5}\cdot\Delta T^{1.5}), \] 式中：

\(S\) —— 进（出）风口面积，单位为平方厘米（cm2）； \(Q\) —— 机箱（柜）总功耗，单位为瓦（W）； \(Q_1\) —— 机箱（柜）表辐射换热量，单位为瓦（W）； \(Q_2\) —— 机箱（柜）表面对流换热量，单位为瓦（W）； \(H\) —— 机箱（柜）的高度，单位为厘米（cm）； \(\Delta T\) —— 机箱（柜）的温升，单位为摄氏度（℃）。

小型机箱（柜）的通风孔面积与耗散功率可从下图查得：

通风孔面积与耗散功率关系图

太阳辐射能量计算

户外设备表面所吸收的太阳辐射能量可以按照如下公式计算： \[ Q = \sum_{i=1}^n \alpha_i A_i I, \] 式中：

\(Q\) —— 设备表面吸收的太阳辐射能量，单位为瓦（W）； \(\alpha_i\) —— 设备不同表面的太阳辐射吸收率，为设备吸收的太阳辐射能量与接收照射的太阳辐射总能量的比值，无量纲； \(I\) —— 户外太阳辐射强度，单位为瓦每平方米（W/m2）； \(A_i\) —— 设备不同表面在垂直太阳直射方向上的投影面积，单位为平方米（m2）。

强迫对流换热计算

强迫对流换热按照下列公式计算： \[ Q = h_\text{c}A\Delta T, \] 式中：

\(Q\) —— 强迫对流的换热量，单位为瓦（W）； \(A\) —— 散热表面面积，单位为平方米（m2），若散热体为 PCB 板，则散热表面积为 1.3 倍的单面面积，因为背面散热量大约为前面的 30%； \(\Delta T\) —— 风道内主器件表面温度与机箱内温度之差，单位为摄氏度（℃）； \(h_\text{c}\) —— 对流换热系数，与风道尺寸形状有关。\(h_\text{c}~\)可按下面方法计算：

  1. 准则方程法

雷诺数\(~Re~\)的计算公式为： \[ Re = \rho v D/\mu, \] 式中：

\(\rho\) —— 流体的密度，单位为千克每立方米（kg/m3）； \(v\) —— 流体流速，单位为米每秒（m/s）； \(\mu\) —— 流体动力粘度，单位为帕秒（Pa·s）； \(D\) —— 特征尺寸，单位为米（m）。

强迫对流换热准则方程见下表：

强迫对流换热准则方程

而努谢尔特数\(~Nu~\)为： \[ Nu = h_\text{c} D/\lambda, \] 式中：

\(h_\text{c}\) —— 对流换热系数，单位为瓦每平米开 [W/(m2·K)]； \(D\) —— 特征尺寸，单位为米（m）； \(\lambda\) —— 流体的导热系数，单位为瓦每米开 [W/(m·K)]。

  1. 质量流量法

\[ h_\text{c} = J C_p G Pr^{-2/3}, \]

式中：

\(C_p\) —— 定压空气比热容，单位为焦耳每千克开 [J/(kg·K)]； \(G\) —— 通道的单位面积的质量流量，单位为千克每平米秒 [kg/(m2·s)]； \(Pr\) —— 普朗特数； \(J\) —— 考尔本数，取决于雷诺数\(~Re~\)及通风道结构尺寸与形状；

当\(~200\leq Re\leq 1800\)，风道为矩形，长宽比\(~\geq 8~\)时： \[ J = \frac{6}{Re^{0.98}}. \] 风道为正方形时： \[ J = \frac{2.7}{Re^{0.95}}. \] 当\(~10^4 \leq Re \leq 1.3\times 10^5\)，紊流时： \[ J = \frac{0.23}{Re^{0.2}}. \] 当\(~400\leq Re \leq 1500\)，通道为扁平肋片式冷板时： \[ J = \frac{0.72}{Re^{0.7}}. \] 上面，单位面积的质量流量\(~G=q_m/A\)，式中\(~q_m~\)为质量流量，\(A~\)为通风道横截面积。 \[ q_m = \phi/(C_p \Delta T) = \rho q_\text{v}, \] 式中：

\(\phi\) —— 热流量，单位为瓦（W）； \(\rho\) —— 空气密度，单位为千克每立方米（kg/m3）； \(q_\text{v}\) —— 体积流量，单位为立方米每秒（m3/s）。

风机相关计算公式

风机冷却时的风量计算

风机冷却时的风量按照下列公式计算： \[ Q = W/(0.355\Delta T), \] 式中：

\(Q\) —— 理论上所需风量，单位为立方米每小时（m3/h）； \(W\) —— 系统总的热耗，单位为瓦（W）； \(\Delta T\) —— 空气的温升，单位为摄氏度（℃），一般可取 5 ~ 15℃；

根据经验，可以按照 1.5~3 倍的裕量确定系统所需的冷却风量，即： \[ Q = (1.5\sim 3)q, \] 式中：

\(Q\) —— 系统所需的冷却风量，单位为立方米每小时（m3/h）。

系统压力损失的计算

风机向机箱内吹风或抽风，气流通过不同的狭窄风道产生摩擦力和静压损失，使风压降低、风速减小。静压损失分为沿程压力损失和局部压力损失，一般地，可根据风道的形状做出估算。

如果能判定损失是一个速度头或在流动阻力较大的节流区有两个速度头，就可以用空气在该截面处的流动速度，求得实际的压力损失，这是一种经验的计算方法。

系统的总压头（压降）用速度头和静压头可表示为： \[ H_\text{t} = H_\text{v} + H_\text{s}, \] 式中：

\(H_\text{t}\) —— 总的压头，单位为帕（Pa）； \(H_\text{v}\) —— 速度头，单位为帕（Pa）； \(H_\text{s}\) —— 静压头，单位为帕（Pa）。

速度头与空气流速的关系为： \[ H_\text{v} = \left(\frac{v}{1.278}\right)^2, \] 其中\(~v~\)为空气流速，单位为米每秒（m/s）。根据计算的系统压力损失，在风机的特性曲线上可以得到对应的风量，如果该值大于上面计算的系统所需冷却风量，则风机满足要求；否则，按上面的方法重新选择。也可以先假定一个系列的风量，据此求出系统的阻力特性曲线，根据阻力特性曲线与风机特性曲线的交点，来确定风机的工作点，从而选择风机。

风机性能参数常用计算公式

风机性能参数常用的计算公式如下：

  1. 风机风量与转速的关系

对于同一风机，风机的风量与转速成正比。\(Q_1\) 、\(Q_2~\)为风量，\(~n_1\)、\(n_2~\)为转速： \[ Q_1/Q_2 = n_1/n_2, \]

  1. 风机风压 与转速的关系

对于同一风机，风机的风压与转速的平方成正比。\(P_1\)、\(P_2~\)为风压，\(~n_1\)、\(n_2~\)为转速。 \[ P_1/P_2 = (n_1/n_2)\times(n_1/n_2), \]

  1. 风机噪声与转速的关系

对于同一风机，两个转速的噪声差与转速比的对数成正比。\(N_1\)、\(N_2~\)为噪声，\(n_1\)、\(n_2~\)为转速。 \[ N_1 = N_2 + 50\log(n_1/n_2), \] 根据对应关系，转速下降一半时，噪声减小15 dBA。

  1. 风机噪声 与风机个数的关系

对于\(~n~\)个相同的风机联合使用，风机组的噪声为比单个风机的噪声增加 10 倍的\(~\log(n)\)。\(N_\text{total}~\)为并联后的风机噪声，\(N_\text{single}~\)为单个风机的噪声。 \[ N_\text{total} = N_\text{single} + 10\log(n). \]

附录 B 材料的热物性性质

材料的导热系数

材料 导热系数 [W/(m·K)] 材料 导热系数 [W/(m·K)]
纯铜 380~400 氮化铝 AlN 180~270
砷化镓 GaAs 55 环氧玻璃 0.3
焊锡 35 二氧化硅 SiO2 6~10
锡铅合金 Sn60Pb40 64 环氧树脂 0.63
铝 140~180 粘合剂 0.1~0.2
铜合金 100~380 碳化硅 SiC 220
锗 70 硅 150
锡铅材料 Tin/Lead 20 聚酰亚胺 0.2~0.4
钼 140 氧化铝 Al2O3 30
钨 170 氧化铍 BeO 200
铁镍合金 Ni42Fe58 15.7 硅化锗 SiGe 2~140

常用材料的黑度

材料（状态） 黑度 材料（状态） 黑度
铝（工业薄板） 0.09 铁（喷黑漆） 0.8
铝（磨光） 0.06 钢（磨光） 0.06
铝（喷砂） 0.81 黄铜（磨光） 0.06
铝（氧化） 0.33 黑漆、白漆 0.8~0.95
铁（磨光） 0.14~0.38

干燥空气的热物理性质

温度
\(T\)
℃		 密度
\(\rho\)
kg/m3		 定压比热容
\(C_p\times10^{-3}\)
J/(kg·K)		 导热系数
\(\lambda\times 10^{2}\)
[W/(m·K)]		 导温系数
\(\alpha\times 10^6\)
m2/s		 动力黏度
\(\mu\times10^6\)
Pa·s		 运动黏度
\(\nu\times 10^6\)
m2/s		 膨胀系数
\(\beta\times 10^6\)
K-1		 普朗特数
\(Pr\)		 自然对流模数
\(\alpha\times 10^{-7}\)
1/(m3·K)
-50 1.584 1.013 2.04 12.7 14.6 9.24 0.728
-40 1.515 1.013 2.12 13.8 15.2 10.04 0.728
-30 1.435 1.013 2.20 14.9 15.7 10.80 0.723
-20 1.395 1.009 2.28 16.2 16.2 11.61 0.716
-10 1.342 1.009 2.36 17.4 16.7 12.43 0.712
0 1.293 1.005 2.44 18.88 17.2 13.28 3.66 0.707 13.97
10 1.247 1.005 2.51 20.0 17.6 14.16 3.53 0.705 11.72
20 1.205 1.005 2.59 21.4 18.1 15.06 3.41 0.703 10.00
30 1.165 1.005 2.67 22.9 18.6 16.00 3.33 0.701 8.70
40 1.128 1.005 2.76 24.3 19.1 16.96 3.19 0.699 7.41
50 1.094 1.005 2.83 25.7 19.6 17.95 3.10 0.698 6.44
60 1.060 1.005 2.90 26.2 20.1 18.97 3.00 0.696 5.60
70 1.029 1.009 2.96 28.6 20.6 20.02 2.92 0.694 4.95
80 1.000 1.009 3.05 30.2 21.1 21.09 2.83 0.692 4.32
90 0.972 1.009 3.13 31.9 21.5 22.10 2.75 0.690 3.76
100 0.946 1.009 3.21 33.6 21.9 23.13 2.68 0.688 3.37
120 0.898 1.009 3.34 36.8 22.8 25.45 2.54 0.686 2.69
140 0.854 1.013 3.49 40.3 23.7 27.80 2.42 0.684 2.12
160 0.815 1.017 3.64 43.9 24.5 30.09 2.32 0.682 1.73
180 0.779 1.022 3.78 47.5 25.3 32.49 2.21 0.681 1.40
200 0.746 1.026 3.93 51.4 26.0 34.85 2.11 0.680 1.16

附录 C 热管的构成与不同类型热管的比较

热管的构成如下图所示，主要包括三个部分：外壳、工作流质和毛细吸液层。通常外壳材料为纯铜；工作流质一般为纯净水（也可为丙酮等其他种类，视具体用途决定），含量很少；根据热管内部毛细层的不同，常见的热管可分为纤维型、沟槽型、筛网型和烧结型，其中沟槽型和筛网型应用较广泛。各种类型热管的优、缺点如下表所示。

热管的构成

管芯结构 优点 缺点
筛网型 制作成本低
价格适宜
热反应快		 折弯后品质变异度大
内网易因弯曲成形，影响，蒸气流断切面积，液体回流不易
沟槽型 成本低
可打扁率高
热反应快		 传热功率最小
毛细力受重力方向的影响
粉末烧结型 传热功率最高
易于后序加工（折弯,打扁）
毛细力强		 打扁厚度受限成本较高
受变形、冲击易碎
纤维型 弯曲或扁平加工时，仍能维持良好的毛细力
液体单向回流，因此不易受音速、毛细等限制		 因构造复杂，本体制造较不容易
单价成本高

热管是一种传导率非常高的导热元件，其等效导热率可达\(~30000~\text{W/(m}\cdot\text{K})~\)以上。但热管的导热率不是恒定的，在一定范围内，通常受热端温度越高，则热管导热率越高;但是当温度到达一定程度时，热管的导热率会急剧下降，造成失效。因此对于不同规格的热管，都有一个最大传输功率。

附录 D 导热界面材料的种类和使用要求

热界面材料的种类

导热界面材料分类及性能特点见下表

导热界面材料分类及性能特点

热界面材料的使用要求

热非绝缘材料

导热非绝缘材料的使用方法如下：

  1. 确定使用的散热器后，应首先清洁散热器的底部；
  2. 在散热器底部与器件接触区域均匀涂抹导热膏，使导热膏的“微粒”渗人散热片的纹路里面，特别是对表面较为粗糙的散热器，应充分填隙；
  3. 注意清除多余的导热材料，防止过多滥出后导致器件管脚短路或增加散热片和芯片间的热阻；
  4. 装散热器时，应注意一次安装到位。一旦拆卸返工，需重新涂敷后再安装，以确保填隙效果。

要紧固的导热绝缘材料

需要紧固的导热绝缘材料使用方法如下：

  1. 用棉球或棉布沽上酒精／异丙基溶剂，清洁散热器和器件表面；
  2. 将导热绝缘材料放在散热器和元器件之间，充分覆盖元器件发热面；
  3. 散热器紧固力应符合元器件允许的规格。

需要紧固的导热绝缘材料

不需要紧固的导热绝缘材料使用方法如下：

  1. 用棉球或棉布沾上酒精/异丙基溶剂，清洁散热器和器件表面；
  2. 撕下透明保护膜，注意手指不要触及胶面。将其贴在散热器（或元器件）上，均匀用力 40~50 psi 预压 3s（注意不要超过器件表面承压限值），以使粘接牢靠；
  3. 再撕下另外一层保护膜，按上述同样的方法使胶贴与器件（或散热器）粘接牢靠。