電子產品熱設計與工程案例分析第一部分熱設計的理論基礎第一部分熱設計的理論基礎1.1、準確認識熱設計1.2、熱源與熱阻1.3、熱量傳遞的基本方式與有關定律1.4、熱控制方法的選擇1.1準確認識熱設計模塊功率逐年增長趨勢芯片級的熱流密度高達300W／cm2數量級，甚至已經達到1000

W／cm2數量級其結溫要求低于100°C太陽表面熱流密度10000W／cm2數量級其表面溫度可達6000°C一、電子裝備面臨的熱設計挑戰1.1準確認識熱設計圖

電子產品失效的主要原因

來源：美國空軍航空電子整體研究項目過熱問題被確認為電子設備結構設計所面臨的三大問題之一——（強度與振動、散熱、電磁兼容）1.1準確認識熱設計（1）熱設計目標、內容與工具熱設計的目標熱設計目標應首先根據設備的可靠性指標與設備的工作環境條件來確定，熱設計目標一般為設備內部元器件允許的最高溫度。已知設備的可靠性指標，依據GJB/299B－1998《電子設備可靠性預計手冊》中元器件失效率與工作溫度之間的關系，可以計算出元器件允許的最高工作溫度，此溫度即為熱設計目標。工程上為簡便計算，通常采用元器件經降額設計后允許的最高溫度值做為熱設計目標。2、熱設計內容與學習方法、設計過程1.1準確認識熱設計熱設計內容定義1——“根據熱設計目標及設備的結構、體積、重量等要求進行熱設計，主要包括冷卻方法的選擇、元器件的安裝與布局、印制電路板散熱結構的設計和機箱散熱結構的設計。定義2——為芯片級、元件級、組件級和系統級提供良好的熱環境及低熱阻散熱通道，保證他們能按預定的參數正常、可靠地工作?！倍x3——利用熱傳遞特性，針對耗熱對象，采用合適的結構設計和冷卻技術，對其溫升進行控制，保證其正常、可靠工作。1.1準確認識熱設計熱設計分科界定（1）熱設計（熱結構）

在所處環境下，合理設計熱傳遞結構、冷卻方法，保障設備內所有元器件不超過最高允許溫度。（2）熱分析（熱模擬）

利用數理模型，或通過計算機模擬，在設計階段獲得溫度分布，預先發現產品的熱缺陷，從而改進其設計。（3）熱評估

評估熱設計是否合理的方法和手段。（4）熱試驗

將設備置于實際（或模擬）熱環境中，測量其溫度或溫度分布1.1準確認識熱設計熱設計理論工具熱量傳遞的基本理論、經驗公式結構設計經驗方法計算流體力學和計算傳熱學（CFD）熱測試儀器和手段

可參考的國內書籍邱成悌、趙惇殳電子設備結構設計原理，東南大學余建祖，電子設備熱設計及分析技術，北航出版社王健石，電子設備熱設計速查手冊，電子工業出版社劉靜，液體金屬導熱材料

（2）熱設計的實施過程1.2熱源與熱阻電子設備工作過程中可能的三種熱量來源自身功率——功率元件耗散的熱量設備工作環境——通過導熱、對流、輻射形式，與電子設備進行熱量傳遞自身與環境作用——設備與大氣相對運動，摩擦增溫熱量去處：熱沉（環境）熱設計原則：熱源至最終熱沉之間的總熱阻最小解決熱阻的辦法，兩方面入手：控制電子元器件的內熱阻控制電子元器件或整機設備的外熱阻。1.2熱源與熱阻熱阻定義：外熱阻的控制方式：（1）散熱

利用空氣或液體作為冷卻介質，靠自然對流或強制對流方式，帶走耗熱。（2）制冷

利用熱電冷卻、固體升華過程吸熱、液氮蒸發過程吸熱等方式進行制冷，使設備工作環境溫度低于周圍環境溫度。（3）恒溫

利用相變材料的吸、放熱過程，可變導熱管的控溫特性以及熱電效應，使設備工作溫度嚴格恒定在某一溫度值，保證其工作的穩定性。（4）熱管傳熱

利用熱管高效傳熱的特性，解決大溫差環境條件下溫度的均衡，密閉機箱內熱量的傳遞，減少溫差對設備的危害。1.3熱量傳遞的基本方式和有關定律一、熱量傳遞的三種基本方式：導熱、對流、輻射二、導熱（熱傳導）傅立葉導熱定律：定義熱流密度：

對傅立葉定律在一維導熱條件下積分，可得：

由此可得導熱熱阻計算公式為：

A為垂直于熱流方向的截面積；λ為材料的導熱系數，單位W/(m·K)，它是表征材料導熱能力優劣的物性參數。導熱問題的熱電比擬關系：三、對流換熱牛頓冷卻公式：由牛頓公式可得對流換熱熱阻計算公式為：⑴基本概念及計算式通過量綱分析法，可得對流換熱的兩個準則方程自然對流強迫對流

其中α為對流換熱系數，單位W/(m2·K)，表征了換熱表面的平均對流換熱能力。幾個準則數的計算公式及物理意義：努塞爾數：雷諾數：普朗特數：格拉曉夫數：

L——特征尺寸，m；

u——流體速度，m/s；

cp——比熱容，kJ/(kg·K)；

μ——動力粘度，Pa·s；

λ——導熱系數，W/(m·K)；

αV——體膨脹系數，℃－1；

g——重力加速度，m/s2；

ΔT——流體與壁面的溫差。用準則方程求出Nu后，即可求出對流換熱系數：四、輻射換熱式中：ε——物體的表面黑度（表面輻射率）；

σ0

——斯蒂芬—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。

減小輻射熱阻的措施1.表面輻射率要高；2.輻射體與吸收體之間要無障礙；3.輻射面積要大。輻射能以電磁波的形式傳遞任意物體的輻射力可以用下式計算：專題熱阻分析法(熱電模擬)一、熱電模擬方法將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓（或稱電位差）；熱阻模擬為電阻，熱導模擬為電導；對于瞬態傳熱問題，可以把熱容（cpqm）模擬為電容。這種模擬方法適用于各種傳熱形式，尤其是導熱。二、熱電模擬網絡利用熱電模擬的概念，可以解決穩態和瞬態的傳熱計算。恒溫熱源等效于理想的恒壓源。恒定的熱流源等效為理想的電流源。導熱、對流和輻射換熱的區域均可用熱阻來處理。熱沉等效于“接地”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網絡。三、傳熱路徑從實際傳熱觀點而言，熱設計時應利用中間散熱器，它們一般屬于設備的一部分，通常為設備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設備中的空氣、液體等冷卻劑。熱流量經傳熱路徑至最終的部位，通稱為“熱沉”，它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，即相當于一個無限大容器。熱沉可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，取決于被冷卻設備所處的環境。四、熱阻的確定確定熱阻的步驟a.根據對每個元器件的可靠性要求，確定元器件的最高允許溫度b.確定設備或冷卻劑的最高環境溫度c.根據上述兩條規定，確定每個元器件的允許溫升d.確定每個元器件冷卻時所需的熱阻熱阻的計算a.導熱熱阻和對流熱阻的計算式參見前面內容b.輻射換熱網絡法任意兩表面間的輻射網絡如下圖所示：圖中Eb1和Eb2分別代表同溫度下的表面1和表面2的黑體輻射力；J1和J2分別為表面1和表面2的有效輻射。應用例：芯片封裝熱阻的電網絡模擬從晶片傳到外殼經過5個環節晶片的熱阻；晶片粘接劑（導熱膠）熱阻基底(substrate)的熱阻基底粘接劑（焊錫）熱阻封裝(package)的熱阻1.4熱控制方法的選擇冷卻方法可以根據熱流密度和溫升要求，按右圖關系進行選擇。這種方法適用于溫升要求不同的各類設備的冷卻由右圖可知，當元件表面與環境之間的允許溫差ΔT為60℃時，空氣的自然對流（包括輻射）僅對熱流密度低于0.05W/cm2時有效。強迫風冷可使表面對流換熱系數大約提高一個數量級，如在允許溫差為100℃時，風冷最大可能提供1W/cm2的傳熱能力。第二部分以空氣為介質的冷卻2.1、空冷首先應當重視對流2.2、空冷中的傳導2.3、風冷中的風道設計與風機選用2.1、空冷首先應當重視對流一、空冷對流設計一般原則1）器件、印制板的排布原則風冷將耐熱性能好的放在冷卻氣流的下游，耐熱性能差的應放在冷卻氣流的上游。發熱區的中心線，應與入風口的中心線相一致或略低于入風口的中心線，這樣可以使電子機箱受熱而上升的熱空氣由冷卻空氣迅速帶走。當風冷系統的冷卻氣流經多塊印制板組件時，印制板的間距應控制在13mm左右器件盡量交錯方式排列，以增強紊流。必要時可在空位增設紊流器。自冷溫度分區（與風冷同）

按耐熱程度分區：耐熱性差的放氣流上游，耐熱性好的電子元器件放在下游。

按發熱量分區：如把大規模集成電路放在冷卻氣流的上游處，小規模集成電路放在下游，以使印制板上元器件的溫升趨于均勻。自冷印制板的間距應控制在不小于19mm，電路板上電子元件安裝高度相差比較大時，應保證最高元件與屏蔽盒內壁之間的間隙不小于23mm，否則將影響盒子中部的自然對流。有利紊流

電子元器件安裝的方位應符合氣流的流動特性及有利于提高氣流的紊流程度。2）熱設計的檢查自然冷卻是否使用最短的熱流通路？是否利用金屬作為導熱通路？電子元器件是否采用垂直安裝和交錯排列？對熱敏感的元器件是否與熱源隔離，當二者距離小于50mm時，是否采用熱屏蔽罩？對于發熱功率大于0.5W的元器件，是否裝在金屬底座上或與散熱器之間設置良好的導熱通路？熱源表面的黑度是否足夠大？是否有供通風的百葉窗口？對于密閉式熱源，是否提供良好的導熱通路？強迫空氣冷卻流向發熱元器件的空氣是否經過冷卻過濾？是否利用順流氣流來對發熱元器件進行冷卻？氣流通道大小是否適當？是否暢通無阻？風機的容量是否適當？抽風機或鼓風機是否選擇恰當？風機電動機是否得到冷卻？對風機故障是否采用防護措施？空氣過濾器是否適當？是否易于清洗和更換？是否已對設備或系統中的氣流分布進行過測量？關鍵的功率器件是否有適當的氣流流過？是否測量過功率器件的臨界溫度？是否測量過風機的噪聲？易損壞的散熱片是否有保護措施？在機載電子設備中，是否具有防水措施？1）自冷——合理開設通風孔通風孔散熱的熱量計算公式：H——自然冷卻設備的高度（或進、出風孔的中心距）（cm）;A0——進風孔或出風孔的面積（取較小值）（cm2）——設備內部空氣溫度t2與外部空氣溫度t1之差（℃）。二、盡量增大對流效果開設通風孔的基本原則：開設通風孔要有利于形成有效的自然對流通道進風孔與出風孔要遠離，并且要防止氣流短路，應開在溫度差較大的相應位置，進風孔盡量低，出風孔要盡量高進風孔對準關鍵元件進出風孔要兼顧電磁屏蔽、防塵2）自冷——電子機箱外自冷的熱計算公式自然對流換熱計算方法1——自然對流換熱的準則方程hc——自然對流換熱系數（W/(m2.℃)）k——冷卻流體的導熱系數（W/(m.℃)）D——特征尺寸(按下表取)（m）C，n——由下表確定的系數（無量綱）Gr——格拉曉夫數（無量綱）Pr——普朗特數（無量綱）自然對流換熱計算方法2——物理參數簡化方程式中，φ——熱流密度（W/m2）Φ——熱流量（W）A——換熱面積（m2）C,D——系數C，n和特征尺寸D由上表確定；Δt——換熱表面與空氣的溫差（℃）該公式的使用條件：任意方向的幾何尺寸小于600mm（電子元器件、小電子設備）空氣物性參數20—200℃，變化±6%內（以控制誤差）自然對流換熱計算方法3——列線圖步驟：根據設備、器件的形狀、尺寸及位置，求得C和D值（上表中的層流項）通過列線圖中的C和D標尺，在無刻度的X標尺上得到一個交點；再連接X上的交點和Δt標尺上的Δt值點，在Φ/A標尺上得到Φ/A值，反之，若已知Φ和A值，也可以求得Δt值。舉例:一個電子設備處于環境溫度為35℃的空氣中，其表面溫度為85℃，設備機箱外殼尺寸為：長200mm，寬200mm，高300mm，計算該機箱頂部表面僅靠自然對流能散掉多少熱量？①根據前表確定C值，熱面朝上的散熱平面，C=0.54;②?t=85℃-35℃=50℃；③連接右圖中D標尺上的0.2m和C標尺上的0.54在X標尺上得交點X0;④連接X0與?t尺上的50℃點，在Φ/A標尺上得交點為270，即⑤計算頂面散熱量2.2、空冷中的傳導1、導熱熱阻（傳導熱阻）1.縮短路徑2.增大面積3.提高導熱系數減小導熱熱阻的方法式中：δ——平壁厚度，m； λ——導熱系數，W/mk

；

A——垂直于熱流方向的橫截面面積，m2

；2、接觸熱阻在多層壁導熱計算時，都是假設層與層之間完全緊密接觸的理想情況，實際上，接觸表面是不可能絕對平整和光滑的，因此，兩表面的接觸點發生在一些離散的接觸面上。這樣在接觸面處將出現溫差，這是由于在接觸界面處產生了一個附加的熱阻，叫接觸熱阻接觸界面的熱阻由局部接觸面上的導熱熱阻和間隙中的介質導熱熱阻組成假設兩接觸面的近似接觸面積Aa由兩接觸材料之間的實際接觸面積Ac和沒有接觸的間隙面積Av所組成，若有效非接觸空間的厚度為δ，兩接觸表面的不規則高度為δ/2,則通過接觸界面的熱流量由兩部分組成t1,t2——表面1和表面2接觸界面的溫度k1,k2——表面1和表面2材料的導熱系數kf——間隙中介質的導熱系數kc——接觸傳熱系數接觸表面接觸點的數量、形狀、大小及分布規律；接觸表面的幾何形狀(波紋度和粗糙度)；非接觸間隙的平均厚度；間隙中介質的種類（真空、液體、氣體）；接觸表面的硬度；接觸表面之間的壓力大小，接觸界面表面的氧化程度和清潔度；接觸材料的導熱系數。影響接觸熱阻的主要因素:表面粗糙度和接觸壓力對接觸熱阻的影響3、收縮熱阻熱收縮效應——在一個恒熱源下的導熱介質的溫度要高于其他部位的溫度，其溫度為t0——熱量全部擴散到整個導熱介質表面上的溫度；

——收縮效應溫升，只取決于材料傳導系數與幾何參數收縮熱阻求法：先求按照”熱歐姆定律公式”得收縮熱阻離散熱源的收縮效應熱收縮效應溫升公式無限大的導熱介質上的圓形熱源，介質導熱系數為k，熱源半徑為r1有限大的導熱介質(半徑為r2的圓柱)上的圓形熱源（半徑為r1）不同熱源及不同形狀的導熱介質，其?t有不同的計算公式長窄條熱源在有限導熱介質上：短而窄的熱源在有效導熱介質上：其中熱收縮效應實際應用芯片組件金屬導熱模塊從芯片結到外殼（散熱器）的傳熱例：在一塊15.24X20.32鋁基板上，有四塊1.27X1.27mm的半導體芯片結合到基板，芯片A為3.24W，芯片B為2.81W,芯片C為2.52W，芯片D為3.03W，對稱布置，各部分厚度如下圖b，可伐蓋加在鋁散熱器上，并保持55℃，芯片A的功耗最大，所以主要分析芯片A的溫度所用材料的導熱系數為：半導體芯片的熱源直徑為0.889mm雖然鋁基板與可伐蓋組件有3.556mm的空氣隙，這里的分析仍不考慮空氣隙的導熱、對流和輻射影響。分析前做如下簡化假設：忽略空氣隙的導熱和輻射；用鋁基板面積作為計算準則，即不考慮柯伐蓋板比鋁基板面積稍大的問題，也不考慮熱量傳向鋁散熱器時在柯伐蓋上的擴散考慮鋁基板及柯伐載體和厚膜的橫向導熱。這種“熱擴散”類似于上述的收縮效應。具有收縮效應的等效熱路圖如右圖。各層的導熱熱阻可用下式計算由右邊①~⑥項，可以計算鋁基板的表面溫度t1其中Φ是芯片A、B、C、D的功耗，當Φ=11.6W時，t1=62.2℃。此溫度就是迫使熱量從四個芯片流經圖中所示的熱阻，傳向55℃的散熱器的驅動力?，F分析芯片A，芯片A下面的實際溫度為t2,它是克服熱量從芯片A傳至基板的收縮作用的驅動力，該收縮作用所產生的熱阻為Rca若，則計算芯片A的表面溫度2.3、風冷中的風道設計與風機選用（一）風道設計——風冷的潛力在于風道1、風道的基本設計原則為降低阻力損失——盡量短；避免急彎；避免驟然擴展/收縮；內表面盡量光滑為提高空氣輸送能力——截面盡量接近正方形；矩形長寬比不得大于6/1為密封——所有搭接臺階都應順著流動方向進風口結構應降低阻力，且要起到濾塵作用風道的入口應避免速度劇變盡力減小箱體對空氣的流動阻力：例如減少不必要的尖角、彎頭、突擴或突縮；不使局部地區流速過高（大于7m/s）或流速過低（會使傳熱惡化，塵埃沉積。）a、因風道伸出而產生的湍流使空氣入口的壓力損失增大；b、空氣入口處的斜邊使壓力損失減小2、機箱級風道（主要潛力）具有平行風道的冷卻系統，要求氣流進入機箱后，形成高的靜壓和低的動壓，以便提高冷卻效果，降低出口和彎曲處的壓力損失。如果機箱比較長，功耗較大，而風道截面不增加，則必須增加冷卻空氣的氣流。右圖結構，上下風道的截面不變而且相等時，流體流至下風道叉口處膨脹，使壓力上升，而且可能使下風口叉口處的壓力大于上風道叉口處的壓力，將導致氣流回流。有可能出現下風道叉口處的壓力大于上風道出口處壓力與支管阻力損失之和而產生回流現象風道結構形式不好為防止氣流回流，進風道截面積應大于各分支風道截面積總和采用錐形風道結構形式，可以使風道中任意一點的截面積大于支風道的截面積專項典型風道自然散熱機箱典型風道風道一.1/2U機箱平放自然散熱風道，機箱出風口在機箱頂部，模塊或板卡自然散熱冷卻，如果機箱頂部有其他設備，需要與風道隔離，避免熱空氣對機箱的影響；另外，除進、出風口外，其他部分需要完全密封。風道二.1/2U機箱平放自然散熱風道,機箱進出風口都在機箱兩側，內部流場混亂，不利自然散熱煙囪效應，適合較小熱功率設備機箱；模塊或者插卡自然冷卻、必須為平放，機箱兩側盡量遠離高功率發熱器設備，另外，除進、出風口外，其他部分需要完全密封。風道三，5U以上高度自然散熱機箱，機箱出風口在機箱頂部，模塊或板卡自然散熱冷卻，模塊或插卡必須為上下風道。強迫風冷散熱機箱典型風道風道一，鼓風風道，1/2U插卡平放機箱，機箱采用側進出風，機箱風扇正吹插卡，靠近風扇的區域換熱效果最佳，由于風道必然存在漏風，而且右端區域風速相對較低，換熱弱；同時機箱內為正壓，灰塵不會從縫隙進入機箱。風道二，抽風風道，1/2U插卡平放機箱，機箱采用側進出風，機箱左側進風，流場分布均勻，各區域換熱強度相差不大，機箱內為負壓，灰塵將通過縫隙進入機箱。風道三，典型的機箱通風風道，采用風扇抽風，進風口在機箱下方，國外和主流廠商都采用這種風道，但對風扇的要求采用高風量，高風壓，低噪聲。風道四，典型的機箱通風風道，鼓風的換熱強度比抽風時高，但送風不均勻，在風扇中心和風扇之間都存在回流死區，注意死區的存在對散熱的影響，將發熱芯片布置在氣流集中的地方；將風扇與單板保持50mm的距離，可使得流場均勻，但將增加高度空間，另外，風扇的進風口距離底板較近，會產生較大噪聲，進風受障礙，所以盡量增加距離。風道五，采用離心風扇抽風，向后排出，進風口在機箱前下方，該風道對離心風扇的性能要求高，需要采用風量大，風壓大，噪聲小。風道六，風道六中如果沒有合適的離心風扇可選，可以采用軸流風扇豎放代替，但風扇模塊將占用較大空間高度；如果機箱高度有限制，可將風扇平放，但風扇出風口上方還是得留一定出風空間，至少40mm。通風機可分為離心式（下圖(a)）和軸流式下圖(b)兩類。風機（二）、風機的選用及其配合結構軸流式風機的特點是風量大、風壓小。根據其結構形式可分為螺旋槳式、圓筒式和導葉式三種。其中螺旋槳式壓力最小，一般用于空氣循環裝置。圓筒式和導葉式用于中、低系統阻力并且要求提供較大空氣流量的電子設備的冷卻。離心式風機的特點是風壓較高，一般用于阻力較大發熱元器件或機柜的冷卻。(1)通風機的特性曲線——通風機在固定轉速下工作時，其壓力、效率、功率隨風量（橫坐標）變化的關系不與風道連接時，靜壓為零，風量最大；出口被堵住時，風量為零，靜壓最高；中間一點效率最高，應在其附近工作。前彎式離心機效率最高時，總壓力最大。1、風機的風道匹配選用法前彎式通風機特性離心式風機的特性曲線從下圖，后彎式效率最高，前彎式最低，但前彎式壓力高，風量大，其缺點是功率曲線上升陡峭，當壓力減低時，風量增大，而功率隨之不斷增加，易過載。而后彎式功率曲線平坦，達到最大值后，隨風量的增加，功率反而減小，不易過載。軸流式風機的特性曲線其特點是風壓曲線很陡斜，所以當通風系統的風阻較大時，若使用軸流風機，風量就很小，如圖a，一旦風量為零，功率達到最大，如圖c.（2）風道特性曲線由此可見，所需的壓降、總壓力均與風量的平方成正比，即將上述關系式用曲線表示，即風道的特性曲線，圖中1,2,3三條曲線分別代表三個風道的特性曲線。風機的總壓力用來克服通風管道的阻力，并在出口處造成一定的速度頭，即風機風道參數匹配設計通風機工作點——風道特性曲線與通風機特性曲線的交點。設計思路;1、額定風量——由換熱計算得出2、風道特性曲線——通過計算或查手冊得出3、風機特性曲線（即選風機）——與風道特性曲線交點匹配選擇，要達到（1）交點滿足額定風量（2）額定風量盡可能達到效率最高(對應總壓最大)2、風機與風道間的結構關系（1）引風段位置關系進風要有引風段。葉片不同位置的速度分布葉片應安裝在通風道的下游，這時風道較長，氣流速度分布可以得到改善。如風道90°的彎曲處，葉片應裝在氣流的下游，如果安裝在氣流的上游，在出口處容易形成渦流，而影響通風冷卻的效果。（2）整機抽風冷卻和鼓風冷卻抽風冷卻特點——風量均勻，風壓小，負壓，難以控制灰塵；不計風機功耗。常用在機柜中各單元熱量分布比較均勻、和元件所需冷卻表面的風阻較小的情況鼓風冷卻特點——風量集中，風壓大；正壓；有利于清除塵埃與臟物，增加氣流的擾動，但使氣流進口溫度提高。通常用在單元內熱量分布不均勻，各單元需要專門風道冷卻，風阻較大，元件較多情況下。（3）降低漏風當有縫隙存在時，抽風形式的冷卻效果比鼓風形式好。大型機柜在強迫通風時，機柜縫隙的漏風將直接影響散熱效果機柜四周密封不漏風時，風機的位置對通風效果沒有影響，沿機柜高度方向任意一個發熱區斷面，風量基本相同，圖a機柜四側存在縫隙，當通風機安裝在出口處抽風時，外界空氣從縫隙進入機柜，風量從入口到出口是逐漸增加的，圖b當通風機裝在入口處鼓風時，機柜內靜壓較高，氣流將從縫隙漏出，風量沿機柜方向逐漸減少，圖c采用串聯通風形式，機柜內部氣壓分為正壓區和負壓區兩部分，既有氣流從縫隙流入，也有從縫隙流出，沿機柜高度方向風量分布如圖d3.風機之間的關系第三部分熱設計案例第三部分熱設計案例一、微納衛星熱控系統設計及仿真二、某3G移動基站的熱仿真及優化三、戶外通信電源的熱分析四、ZTEEDFA模塊熱分析案例一某型微納衛星熱控系統設計微納衛星：質量小于10kg，具有實際使用功能的衛星。即將在9月15日~20日發射的天宮二號，其攜帶的一顆伴隨衛星就是一顆微納衛星。衛星主要有載荷倉、模塊盒、太陽電池帆板等部分組成，載荷倉內包含有微慣性組合、電池組、儲箱、相機等組件，具有對地成像、信息傳輸功能。衛星運行在高真空太空環境，熱傳導主要通過傳導和輻射進行。衛星熱控設計的目的是通過合理的熱設計方法和熱控制手段，提供衛星有效載荷和衛星平臺各分系統儀器設備正常工作所需的環境溫度，同時保證衛星表面所有設備工作在所需的溫度范圍。遵循的原則：采用成熟的熱控技術和實施工藝，遵循各項熱控規范和標準，力求簡單、可靠；整星熱設計本著被動熱控方式為主，在被動熱控方式不能滿足要求時，再考慮電加熱補償的主動熱控手段，力求實現最佳熱耦合機制；星內一般一起設備的溫度范圍設計余量為±10℃。熱控措施：綜合考慮衛星結構、溫度要求以及所處的空間環境，采取如下熱控措施：載荷艙內除推進系統采取特殊的熱控制措施外，其他載荷外表面進行發黑處理，表面黑度ε≥0.8；模塊和載荷艙身內表面ε≥0.5；模塊盒內各電路板與其安裝面之間填充導熱材料或導熱脂；位于星外的磁強計、GPS天線等的外表面噴涂有機灰漆或有機黑漆，α/ε=0.85/0.8軟件IDEASTMG建立衛星整體有限元模型及載荷艙的有限元模塊如下圖空間背景為4K冷黑空間，并輸入軌道、姿態等參數(太陽同步圓軌道、高度取550km、傾角取95o、降交點地方時取11:00等)，三軸穩定姿態時，+Z軸指向地心、+X指向飛行方向。穩態情況下，衛星各部分溫度如下表所示下圖分別是衛星整體、載荷艙、太陽電池帆板、頂板及磁強計與GPS天線的溫度分布云圖仿真結果可以看出，所采取的熱設計方案滿足了衛星總體提出的要求，艙內一般儀器設備的溫度為-10℃~+45℃，艙外儀器設備溫度為-80℃~+80℃案例二：某3G移動基站的熱仿真及優化1、實際模型a、方案一（頂部抽風方案）該移動基站采用標準19英寸機柜，共有20個PCB插板板位。該方案結構示意圖如右圖所示。機柜總高度10U。其中插板區高度為7U,底部進風口高度為1U，頂部出風口高度為2U。采用EBM公司的離心式風機兩個，安放在機柜頂部。b、方案二（底部吹風方案）該方案結構示意圖如右圖所示。機柜總高度10U。其中底部進風口高度為2U，頂部出風口高度為1U。采用EBM公司的軸流式風機六個，安放在機柜底部。c、方案三（軸流風機頂部抽風方案）該方案結構示意圖如右圖所示。其中頂部出風口高度為2U，底部進風口高度為1U。其它尺寸同方案二采用EBM公司的軸流式風機六個，安放在機柜頂部。2、仿真結果a、方案一數值分析結果b、方案二數值分析結果c、方案三數值分析結果3、仿真結論方案二的冷卻效果最好

方案三雖然采用了和方案二相同數量和型號的軸流風機，但由于它們安放在機箱頂部，使得出風口和風機軸線相垂直，從而增大了系統風阻，而軸流式風機的特點正是風量大，風壓小，因此方案三的冷卻效果要大大低于方案二。方案一采用了兩個離心式風機，它們的總排風量遠遠小于六個軸流風機；而且由于風機分布的不均勻性，使得插板的安放位置對插板溫度分布的影響較大，總的散熱效果也比方案二差些。注意插板的安放位置

在不同的冷卻方案下，PCB板在各個板位的溫度分布是不同的。當有多余的板位時，應該注意優先選擇溫度較低的板位安放PCB板。案例三某戶外通信電源的熱分析需求分析：一款AC/DC轉換模塊。產品外形尺寸長320毫米，寬70毫米，高255毫米。全封閉結構，要求的防水防塵等級是加強型IP55，即產品的防水測試條件是水溫是