第一章电子设备热设计基本知识
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第一章电子设备热设计基本知识
F12 —— 两物体表面的角系数。
c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— 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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，m2；
t / x —— 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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
热设计的基础知识与规范
积最小、成本最低。
1.3.9 冷却系统要便于监控与维护
第二章 热设计基础知识
2.1某些基本概念
2.1.1 温升
指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差。如果忽略温度变化对空气物性
的非线性影响，可以将一般环境温度下（如空调房27℃）测量获得的温升直接加上最
高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度。例如在空调房内测得某器件温升
1.2.2 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；
1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；
1.2.4 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；
1.2.5 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
3.1.2 是否有足够的自然对流空间。 元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持
一定距离，通常至少13mm，以利于空气流动，增强对流换热。一些具体的参考距离尺
第一章 概 述
1.1 热设计的目的
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。
1.2 热设计的基本问题
1.2.1 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；
1.3.6 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化而
引起的热耗散及流动阻力的增加。
1.3.7 热设计不能盲目加大散热余量，尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷
却方式。使用风扇冷却时，要保证噪音指标符合标准要求。
1.3.9 冷却系统要便于监控与维护
第二章 热设计基础知识
2.1某些基本概念
2.1.1 温升
指机柜内空气温度或元器件温度与环境温度的差。如果忽略温度变化对空气物性
的非线性影响，可以将一般环境温度下（如空调房27℃）测量获得的温升直接加上最
高可能环境温度获得最恶劣环境下的器件近似温度。例如在空调房内测得某器件温升
1.2.2 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；
1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数；
1.2.4 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；
1.2.5 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
3.1.2 是否有足够的自然对流空间。 元器件与元器件之间，元器件与结构件之间应保持
一定距离，通常至少13mm，以利于空气流动，增强对流换热。一些具体的参考距离尺
第一章 概 述
1.1 热设计的目的
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。
1.2 热设计的基本问题
1.2.1 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；
1.3.6 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化而
引起的热耗散及流动阻力的增加。
1.3.7 热设计不能盲目加大散热余量，尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷
却方式。使用风扇冷却时，要保证噪音指标符合标准要求。
电子产品热设计培训稿
首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。
由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热 流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然 对流冷却就足够了。
16
三、机箱自然对流热设计 影响自然对流冷却的主要因素
印制板的间距 电子元件耗散功率及布局 自然对流换热表面传热系数 机箱表面和环境空气之间的温差 机箱表面积
（4）各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要 求。 a、元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 c、模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热 保护回路， 以提高系统的可靠性。
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二、热设计的方法
（三）热设计遵循的原则
热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是℃/W。
6
一、热设计基本知识
热设计的有关概念
（8）热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流 路径图。
（9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件 并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不 到一条通路来散热，温度就会升高。这个热流量就是 功耗。
0.90
0.90
85
100
115
10
二、热设计的方法
（二）常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫
液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、 强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。
由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计 方法如图 7 所示。
由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热 流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然 对流冷却就足够了。
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三、机箱自然对流热设计 影响自然对流冷却的主要因素
印制板的间距 电子元件耗散功率及布局 自然对流换热表面传热系数 机箱表面和环境空气之间的温差 机箱表面积
（4）各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要 求。 a、元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。 b、根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散热器。 c、模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热 保护回路， 以提高系统的可靠性。
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二、热设计的方法
（三）热设计遵循的原则
热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是℃/W。
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一、热设计基本知识
热设计的有关概念
（8）热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流 路径图。
（9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件 并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不 到一条通路来散热，温度就会升高。这个热流量就是 功耗。
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二、热设计的方法
（二）常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫
液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、 强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。
由于铜皮散热太快，容易造成焊接不良，必须进行隔热设计，常见的隔热设计 方法如图 7 所示。
电子行业电子设备热设计基础
电子行业电子设备热设计基础引言在电子行业中，电子设备的热设计是非常重要的。
随着电子设备的不断发展，其功能越来越强大，性能越来越高，工作时产生的热量也越来越大。
如果电子设备的热量不能有效地散出去，会导致设备过热，影响设备的性能甚至损坏设备。
因此，合理的热设计对于电子设备的可靠性和稳定性至关重要。
本文将介绍电子行业电子设备热设计的基础知识，包括热传导、热辐射、热对流等方面的内容，帮助读者了解电子设备热设计的重要性并掌握一些基本的设计原则和方法。
热传导热传导是指热能通过物质的传导方式传递的过程。
在电子设备中，常见的热传导方式有三种：导热、对流和辐射。
导热导热是通过物质内部的分子或电子的碰撞传递热能的过程。
导热的速度和效率取决于物质的热导率和传热面的接触情况。
为了提高导热效率，我们可以采用导热材料，如铜、铝等，作为散热板或散热片，将其与电子元件紧密接触以增大接触面积。
对流对流是指热量通过流体（如空气）的对流传递的过程。
当电子设备工作时产生的热量无法直接通过导热方式散出去时，就需要依靠对流来进行热散热。
在设计电子设备时，我们需要合理设置散热孔和散热风扇等设备，以增加热量与周围空气的接触面积，提高对流散热效率。
辐射辐射是指热能以电磁辐射的形式传递的过程。
热辐射是无需传递介质的热传递方式，在电子设备中发挥重要作用。
通过合理设置散热片、散热器等辐射表面，可以增大辐射能量的发射和吸收。
此外，还可以利用红外线热成像等技术来监测电子设备中的热辐射情况，及时发现问题并采取相应的措施。
设计原则和方法在进行电子设备热设计时，需要遵循一些基本的设计原则和方法，以确保设备的稳定运行和长寿命。
合理布局在电子设备的布局设计中，需要考虑到热量的产生和散热的位置。
将产热元件和散热结构合理布置，减少热量在设备内部的积聚，有利于热量的迅速散出，提高散热效率。
优化散热结构为了提高散热效果，可以采用散热片、散热器等散热结构来增大热量与周围环境的接触面积。
电子产品热设计原理和原则
冷
d
L
L
热 热 D
D 热
D 冷
d
热 D
2024/4/28
冷 热 D d
热
冷
47
3.是否充分利用导热路径：导热材料将发热器件与机壳相连。 4.是否充分利用辐射散热路径； 5.使用散热器； 6.其他冷却技术：冷管
2024/4/28
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烟囱效应
如果温度变高，空气就会膨胀。也就是说，如果 体积相同，热空气会变轻。较轻的空气被较重的空 气推开，然后上升。这就是自然对流。
如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上 下面，可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。
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烟囱效应形成的压差
H
基于烟囱效应的静压[kg/m2] =(外部空气密度[kg/m3]-(内部空气密度[kg/m3])X烟囱高度[m]
空气密度[kg/m3]=0 ℃的空气密度[kg/m3]X273.15/(273.15+气温[℃])
近的规格
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40
散热片的材料和表面处理
材料： 1. 散热要求不高的场合，用铝材； 2. 散热要求高的场合，用铜材； 3. 兼顾成本、散热性能要求，基座用铜，鳍片用铝。
表面处理： 为提高鳍片外表面的辐射接收性能，将外表做黑化处理 提高鳍片黑度
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散热片的安装
安装散热片的注意事项：
Tj
R = Rjc + Rcs + Rsa
Tj ----晶片界面温度，一般115-180 ℃,军用65-80 ℃; Tc ---- 晶片与导热介质界面温度 Ts ----导热介质与散热片界面温度 Ta ----外界为空气35-45 ℃ ，密闭空间或接近其他热源50-60 ℃ Rjc ----晶片到封装外壳热阻 Rcs ----导热介质热阻 R20s2a4/4-/-2-8-散热片热阻
热设计的基础知识
2 热设计的基础知识2.1基本术语2.1.1 热环境设备或元器件的表面温度、外形及黑度，周围流体的种类、温度、压力及速度，每一个元器件的传热通路等情况2.1.2 热特性设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
2.1.3 热阻热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类（热扩展效应）2.1.4 导热系数表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃2.1.5 对流换热系数反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃2.1.6 流阻反映流体流过某一通道时所产生的压力差。
单位帕斯卡或mm.H2O或巴2.1.7 定性温度确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度2.1.8 肋片的效率表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比2.1.9 黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。
2.1.10 雷诺数R e(Reynlods)雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。
2.1.11普朗特数P r(Prandtl)普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。
2.1.12 格拉晓夫数G r(Grashof)格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，G r越大，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。
2.1.13努谢尔特数N u(Nusseltl)反映出同一流体在不同情况下的对流换热强弱，是一个说明对流换热强弱的相似准则。
2.1.14 传热单元数NTU为无因次量，其数值反映了在给定条件下所需传热面积的大小，是一个反映冷板散热器综合技术经济性能的指标。
电子设备热设计基本知识(ppt 51页)
紊流：层流底层以外（边界层以外）
所发生的流体不规则流动。
对流换热的基本定律
对流换热系数
对流传热系数的数值范围
过程
h/[W(m2k)]
自然对流 空气 水 强迫对流
气体 高压水蒸气
水 水的相变换热
沸腾 蒸汽凝结
1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000
2500～3500 5000－25000
电子设备热设计
付桂翠
北京航空航天大学
电子设备热设计
一．热设计基本知识 二．热设计理论基础 三．热设计的方法 四．热分析 五．热试验
热设计基本知识
热对系统可靠性的影响 热设计的目的 热设计的有关概念 热控制的基本形式
热对系统可靠性的影响
高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件 性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。
摘自 美空军整体计划分析报告
热量产生的原因
电子设备经受的热应力来源于以下几个方面： （1）工作过程中，功率元件耗散的热量。 （2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传 递给电子设备。 （3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。
热设计的目的
电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子设备的耗 热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计， 以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、 可靠地工作。
热设计目标温度资源约束电子设备结构体积大小等热设计方案热设计工程经验主要散热方法自然冷却强迫冷却冷板冷却散热器辐射散热其它散热方法冷却方法的选择元器件的安装与布局印制电路板的散热设计机箱的结构散热设计权衡分析改进设计满足热设计目标和相关要求满足热设计目标和相关要求热设计报告热分析原理样机热性能评估热设计热设计流程热设计目标的确定热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定已知设备的可靠性指标依据gjb299b1998电子设备可靠性预计手册中元器件失效率与工作温度之间的关系可以计算出元器件允许的最高工作温度此温度即为热设计目标
所发生的流体不规则流动。
对流换热的基本定律
对流换热系数
对流传热系数的数值范围
过程
h/[W(m2k)]
自然对流 空气 水 强迫对流
气体 高压水蒸气
水 水的相变换热
沸腾 蒸汽凝结
1～10 200～1000
20～100 500～3500 1000～15000
2500～3500 5000－25000
电子设备热设计
付桂翠
北京航空航天大学
电子设备热设计
一．热设计基本知识 二．热设计理论基础 三．热设计的方法 四．热分析 五．热试验
热设计基本知识
热对系统可靠性的影响 热设计的目的 热设计的有关概念 热控制的基本形式
热对系统可靠性的影响
高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件 性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。
摘自 美空军整体计划分析报告
热量产生的原因
电子设备经受的热应力来源于以下几个方面： （1）工作过程中，功率元件耗散的热量。 （2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传 递给电子设备。 （3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。
热设计的目的
电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子设备的耗 热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计， 以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、 可靠地工作。
热设计目标温度资源约束电子设备结构体积大小等热设计方案热设计工程经验主要散热方法自然冷却强迫冷却冷板冷却散热器辐射散热其它散热方法冷却方法的选择元器件的安装与布局印制电路板的散热设计机箱的结构散热设计权衡分析改进设计满足热设计目标和相关要求满足热设计目标和相关要求热设计报告热分析原理样机热性能评估热设计热设计流程热设计目标的确定热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定已知设备的可靠性指标依据gjb299b1998电子设备可靠性预计手册中元器件失效率与工作温度之间的关系可以计算出元器件允许的最高工作温度此温度即为热设计目标
热设计的基础知识与规范
2.1.3 热流密度 2
单位面积上的传热量，单位 W/m 。 2.1.4 热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小， 表明了 1W 热量所引起的温升大小，单位为℃/W 或 K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传 热路 径上的温升。
可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电 压，则热阻相当于电阻。
(2-2)
222
h---- 对流换热系数，W/m .K 或 W/m .℃; A 对--- 有效对流换热面
积，m
tw---- 热表面温度，℃;
ta---- 冷
却空气温度℃;
R 对流----- 对流热阻, ℃/W
由方程可见，要增强对流换热，可以加大换热系数和换热面积。
2.2.3 辐射的基本方程：
---- 系统黑度， ε1，ε2----分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体表面
第三章 自然对流换热
当发热表面温升为 40℃或更高时，如果热流密度小于 0.04W/cm ，则一般可 以通 过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮 升 力使空气不断流过发热表面，实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备，所以 不 需要维护，成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热，应尽 量 不使用风扇。 3.1 自然对流热设计要考虑的问题
如果设计不当，元器件温升过高，将不得不采用风扇。合理全面的自然对流热 设 计必须考虑如下问题： 3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件时，应将不耐热的元件放在靠近进风 口的位 置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温元件，以避免辐射 的 影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔 开； 将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部； 一般应将热流密度高 的元 器件放在边沿与顶部，靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进 风 口附近，注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；大功率 的 元器件尽量分散布局，避免热源集中； 不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使 风阻 均布，风量分布均匀。
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Δt —— 换热表面与流体的温差， ℃。
二、自然对流换热的简化计算
对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器 件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可以 采用以下简化公式进行计算
/ A 2.5Ct1.25 / D0.25
式中2； C —— 系数，由表2-1查得； D —— 特征尺寸，m；
Δt —— 热流体与冷流体之间的温差，℃。
热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射
传热过程和传热系数
1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热 2 传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射
图墙壁的散热
辐射换热、 对流换热、 热传导
3 一维稳态传热过程中的热量传递 忽略热辐射换热，则
二、对流
可分为自然对流和强迫对流两大类
对流换热采用牛顿冷却公式计算
hc A(tw t f )
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，℃。
对流换热热阻：
Φ t t
1 (hA) Rh q t t
六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子 元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散 热器时，就可以采用强迫空气冷却。
七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器 件 或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件 相容，其典型热阻为每平方厘米1.25℃/W。直接 强迫液体冷却的热阻为每平方厘米0.03℃/W。
1 h rh
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2C W ]
强制对流 自然对流
hd
Nu
Nu CRem Pr n Nu C(Gr Pr )n
柯尔朋传热因子 紧凑式换热面
j Nu Pr 1/3 Re
j CRem
h jucp Pr 2/3
表面换热系数计算
一、自然对流换热的准则方程
tw1 tw2 R
2 l
W
长度为 l 的圆筒 壁的导热热阻
接触热阻
实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界 面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面 接触 —— 给导热带来额外的热阻
减小散热器与器件之间的接触热阻
影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用 的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或 参考实测数据来选择接触热阻。
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。
半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可 参考表2-4查取。
工程中常用的减小接触热阻的主要措施：
⑴ 加大接触表面之间的压力；
⑵ 提高两个接触面的加工精度；
⑶ 接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏 等；
⑷ 在结构强度许可的条件下，选用软的金属材 料制作散热器或器件的壳体。
Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
2-1
表
自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 和 值
Cn
强迫对流换热的准则方程
管内流动及沿平板流动的准则方程
管内受迫流动换热 管内受迫流动的特征表现为：流体流速、管子入口段及温度场
等因素对换热的影响。 入口段：入口段管内流动换热系数是不稳定的，所以计算平均
hf=λ (L/de)(ρ V2/2)
λ ＝f(Re，ε /d)，即紊流时沿程阻力系数不仅与雷诺数有关， 还与相对粗糟度ε 有关。 尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验 得出了沿程阻力系数的经验公式：
紊流光滑区：4000<Re<105, λ 采用布拉修斯公式计算： λ ＝0.3164/Re 0.25
非园管道沿程阻力的计算
t / x —— 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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
图 两黑体表面间的辐射换热
辐射换热计算方程
两物体表面之间的辐射换热计算公式为：
xt
5.67 1
AF12 xt
1 1 1
T1 100
4
T2 100
4
1 2
式中： T1、 T2 —— 物体1和物体2表面的绝对温度， K； ε1、 ε2 —— 物体1和物体2的表面黑度； εxt —— 系统黑度； A —— 物体辐射换热表面积， m2；
四、利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容 易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传 热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积， 在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
五、大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。 自然对流冷却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。 有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
de=4A/x
局部阻力
hj＝ξ ρ V2/2
ξ －局部阻力系数 突然扩大： 按小面积流速计算的局部阻力系数：ζ 1＝(1-A1/A2) 按大面积流速计算的局部阻力系数 ：ζ 2＝(1-
A2/A1) 突然缩小： 可从相关的资料中查阅经验值。
八、直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设 备或元器件，其热阻值为每平方厘0.006℃/W。
九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优 点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重 量大、效率低。
十、热管是一种传热效率很高的传热器件，其传 热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端 的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减 小热管两端接触界面上的热阻。
Nu CRan
式中：Nu —— 努谢尔特数，Nu=hD/λ； Ra —— 瑞利数，Ra=Gr·Pr； Gr —— 格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2； Pr —— 普朗特数；
C、n —— 由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值； h —— 自然对流换热系数， W/(m2·℃)； D —— 特征尺寸， m； λ —— 流体的导热系数， W/(m·℃)； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa·s；
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
第一章 电子设备热设计基本知识
一热源和耗散功率
电子设备只要通电就有发热，是热源，其 产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发 热功率）是热设计的基础。可以采用试验和 理论计算来确定。一般都增加安全系数，保 守取值，适当取高些。
热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温 度和最大热耗散的情况下设计。
耗散功率计算：
k
1
1
1
1
rh1 r rh2
h1 h2
单位热阻或面积热阻
传热系数[W m2K，] 是表征传热过程强烈程度的标尺，
不是物性参数，与过程有关。
热电模拟
热电模拟网络
利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态 的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。 恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对 流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉 等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其 相连接，形成热电模拟网络。
冷却方式的选择方法
确定冷却方法的原则
在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满 足散热要求时，才考虑其它冷却。
冷却方式的选择方法1:根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流
密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式，具有一定的局限性，如
图1所示。
0.04
自然冷却
最大0.08
强迫风冷
三、辐射
辐射能以电磁波的形式传递
任意物体的辐射能力可用下式计算
A 0T 4
式中：ε —— 物体的表面黑度； σ0 —— 斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m2·K4)； A —— 辐射表面积，m2； T —— 物体表面的热力学温度，K。
T1
T2
T14
T24
q12 (T14 T24)
对流换热热阻：
Rt
1 hc A
3冷却方法的选择
3.1冷却方法的分类 3.2冷却方法的选择 3.3冷却方法选择示例
3.1 冷却方法的分类
按冷却剂与被冷元件之间的配置关系
a. 直接冷却 b. 间接冷却
按传热机理
a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上 换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） c. 蒸发冷却 d. 热电致冷 e. 热管传热 f. 其它冷却方法
图一维稳态传热过程
左侧对流换热热阻
Rh1
1 Ah1
固体的导热热阻
R
A
右侧对流换热热阻
Rh1
二、自然对流换热的简化计算
对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器 件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可以 采用以下简化公式进行计算
/ A 2.5Ct1.25 / D0.25
式中2； C —— 系数，由表2-1查得； D —— 特征尺寸，m；
Δt —— 热流体与冷流体之间的温差，℃。
热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射
传热过程和传热系数
1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热 2 传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射
图墙壁的散热
辐射换热、 对流换热、 热传导
3 一维稳态传热过程中的热量传递 忽略热辐射换热，则
二、对流
可分为自然对流和强迫对流两大类
对流换热采用牛顿冷却公式计算
hc A(tw t f )
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，℃。
对流换热热阻：
Φ t t
1 (hA) Rh q t t
六、强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子 元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散 热器时，就可以采用强迫空气冷却。
七、直接液体冷却适用于体积功率密度较高的元器 件 或设备。直接液体冷却要求冷却剂与元器件 相容，其典型热阻为每平方厘米1.25℃/W。直接 强迫液体冷却的热阻为每平方厘米0.03℃/W。
1 h rh
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2C W ]
强制对流 自然对流
hd
Nu
Nu CRem Pr n Nu C(Gr Pr )n
柯尔朋传热因子 紧凑式换热面
j Nu Pr 1/3 Re
j CRem
h jucp Pr 2/3
表面换热系数计算
一、自然对流换热的准则方程
tw1 tw2 R
2 l
W
长度为 l 的圆筒 壁的导热热阻
接触热阻
实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界 面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面 接触 —— 给导热带来额外的热阻
减小散热器与器件之间的接触热阻
影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用 的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或 参考实测数据来选择接触热阻。
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
表2-3为某些典型接触面的接触热阻值。
半导体功率器件安装于散热器上的接触热阻值可 参考表2-4查取。
工程中常用的减小接触热阻的主要措施：
⑴ 加大接触表面之间的压力；
⑵ 提高两个接触面的加工精度；
⑶ 接触表面之间加导热衬垫或导热脂、导热膏 等；
⑷ 在结构强度许可的条件下，选用软的金属材 料制作散热器或器件的壳体。
Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
2-1
表
自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 和 值
Cn
强迫对流换热的准则方程
管内流动及沿平板流动的准则方程
管内受迫流动换热 管内受迫流动的特征表现为：流体流速、管子入口段及温度场
等因素对换热的影响。 入口段：入口段管内流动换热系数是不稳定的，所以计算平均
hf=λ (L/de)(ρ V2/2)
λ ＝f(Re，ε /d)，即紊流时沿程阻力系数不仅与雷诺数有关， 还与相对粗糟度ε 有关。 尼古拉兹采用人工粗糟管进行试验 得出了沿程阻力系数的经验公式：
紊流光滑区：4000<Re<105, λ 采用布拉修斯公式计算： λ ＝0.3164/Re 0.25
非园管道沿程阻力的计算
t / x —— 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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
图 两黑体表面间的辐射换热
辐射换热计算方程
两物体表面之间的辐射换热计算公式为：
xt
5.67 1
AF12 xt
1 1 1
T1 100
4
T2 100
4
1 2
式中： T1、 T2 —— 物体1和物体2表面的绝对温度， K； ε1、 ε2 —— 物体1和物体2的表面黑度； εxt —— 系统黑度； A —— 物体辐射换热表面积， m2；
四、利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容 易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传 热路径不容易控制。对流换热需要较大的面积， 在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
五、大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。 自然对流冷却表面的最大热流密度为0.039W/cm2。 有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2。
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
de=4A/x
局部阻力
hj＝ξ ρ V2/2
ξ －局部阻力系数 突然扩大： 按小面积流速计算的局部阻力系数：ζ 1＝(1-A1/A2) 按大面积流速计算的局部阻力系数 ：ζ 2＝(1-
A2/A1) 突然缩小： 可从相关的资料中查阅经验值。
八、直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设 备或元器件，其热阻值为每平方厘0.006℃/W。
九、热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。优 点是不需要外界动力、且可靠性高；缺点是重 量大、效率低。
十、热管是一种传热效率很高的传热器件，其传 热性能比相同的金属导热要高几十倍，且两端 的温差很小。应用热管时，主要问题是如何减 小热管两端接触界面上的热阻。
Nu CRan
式中：Nu —— 努谢尔特数，Nu=hD/λ； Ra —— 瑞利数，Ra=Gr·Pr； Gr —— 格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2； Pr —— 普朗特数；
C、n —— 由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值； h —— 自然对流换热系数， W/(m2·℃)； D —— 特征尺寸， m； λ —— 流体的导热系数， W/(m·℃)； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa·s；
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
一、导热
第一章 电子设备热设计基本知识
一热源和耗散功率
电子设备只要通电就有发热，是热源，其 产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发 热功率）是热设计的基础。可以采用试验和 理论计算来确定。一般都增加安全系数，保 守取值，适当取高些。
热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温 度和最大热耗散的情况下设计。
耗散功率计算：
k
1
1
1
1
rh1 r rh2
h1 h2
单位热阻或面积热阻
传热系数[W m2K，] 是表征传热过程强烈程度的标尺，
不是物性参数，与过程有关。
热电模拟
热电模拟网络
利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态 的传热计算。恒温热源等效于理想的恒压源。 恒定的热流源等效为理想的电流源。导热、对 流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热沉 等效于“接地”，所有的热源和热回路均与其 相连接，形成热电模拟网络。
冷却方式的选择方法
确定冷却方法的原则
在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却，只有在自然冷却无法满 足散热要求时，才考虑其它冷却。
冷却方式的选择方法1:根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流
密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式，具有一定的局限性，如
图1所示。
0.04
自然冷却
最大0.08
强迫风冷
三、辐射
辐射能以电磁波的形式传递
任意物体的辐射能力可用下式计算
A 0T 4
式中：ε —— 物体的表面黑度； σ0 —— 斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8 W/(m2·K4)； A —— 辐射表面积，m2； T —— 物体表面的热力学温度，K。
T1
T2
T14
T24
q12 (T14 T24)
对流换热热阻：
Rt
1 hc A
3冷却方法的选择
3.1冷却方法的分类 3.2冷却方法的选择 3.3冷却方法选择示例
3.1 冷却方法的分类
按冷却剂与被冷元件之间的配置关系
a. 直接冷却 b. 间接冷却
按传热机理
a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上 换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） c. 蒸发冷却 d. 热电致冷 e. 热管传热 f. 其它冷却方法
图一维稳态传热过程
左侧对流换热热阻
Rh1
1 Ah1
固体的导热热阻
R
A
右侧对流换热热阻
Rh1