结构设计与热设计
机械设计基础机械系统的热设计原理
机械设计基础机械系统的热设计原理机械设计基础-机械系统的热设计原理机械系统的热设计原理在机械设计过程中起着重要的作用。
一个良好的热设计可以提高机械系统的工作效率、延长机械设备的使用寿命，同时也可以减少能源的消耗和环境的污染。
本文将着重探讨机械系统的热设计原理，并对其中的关键因素进行分析和解释。
一、热传导热传导是机械系统热设计中的基础知识。
它描述了热能如何通过物质的传导方式从一个区域流向另一个区域。
导热系数是衡量物质导热性能的重要参数，它表示单位时间内单位面积上的热量传导量。
在机械系统中，通过合理选择材料和结构形式，可以提高导热系数，从而提高热传导效率。
二、散热散热是机械系统中常见的热设计问题之一。
在机械设备运行过程中，由于摩擦、传动、电路等原因会产生大量的热量，如果不能及时有效地散热，将导致机械设备温度升高，甚至引发设备故障。
因此，在机械设计中，需要考虑如何增加散热面积、改善散热方式以及选择合适的散热材料等因素，以提高机械系统的散热效率。
三、热膨胀热膨胀是机械系统热设计中不可忽视的问题之一。
当机械设备受热时，材料会发生膨胀，而当机械设备冷却时，材料会发生收缩。
这种热膨胀现象会对机械系统的正常运行造成不利影响，例如导致零件的变形、轴承的间隙变大等问题。
因此，在机械设计中，需要合理考虑材料的热膨胀系数，采取一些措施，如设置伸缩装置、选择适应性较好的材料等，来减少热膨胀对机械设备的影响。
四、温度控制温度控制是机械系统热设计中的重要环节之一。
不同的机械设备在工作过程中，对温度的要求是不同的。
有些机械设备要求保持较低的温度，而有些机械设备则要求保持较高的温度。
因此，在机械设计中，需要根据机械设备的要求，合理选择散热器、冷却系统、加热系统等元件，以实现对温度的控制。
五、节能设计节能设计是当前机械设计中的热点问题之一。
随着能源消耗和环境污染问题的日益凸显，节能已成为各个领域的重要任务。
在机械系统的热设计中，通过改善能量转换效率、优化热能利用等方式，可以有效地减少能源的消耗，同时减少对环境的影响。
CPU散热器的热导管与散热风扇结构设计
CPU散热器的热导管与散热风扇结构设计随着电子设备性能的提高和使用功率的增加，CPU的散热问题变得愈发突出。
在现代计算机中，CPU散热器是保证处理器正常工作的重要组成部分。
本文将探讨CPU散热器中热导管与散热风扇的结构设计，旨在解决CPU散热问题。
热导管在CPU散热器中扮演着重要的角色。
它主要通过热传导的方式将热量从CPU导出，提高散热效果。
热导管的设计应考虑以下几个方面：其一，热导管材料的选择。
优秀的热导管材料应具备高热导率和良好的强度，以确保热导管的导热效率和使用寿命。
铜和铝是常用的热导管材料，它们具有良好的热导率和较高的强度，适合作为热导管的制材。
其二，热导管的结构。
热导管一般由内外两层金属管组成，中间填充工质。
热传导过程中，CPU产生的热量使工质在内外两层金属管之间发生相变，从而实现热量的传递。
优化热导管的结构设计，可以提高热量的传导效率。
例如，增加内层金属管的表面粗糙度，可以增大与工质的接触面积，提升热传导速率。
其三，热导管的连接方式。
热导管需要与CPU的散热表面接触，以充分传导热量。
常见的连接方式有焊接和热导胶粘结。
焊接方式能够保证良好的热接触性，但一旦固定，难以更换。
而采用热导胶粘结可以灵活更换热导管，但热接触性可能略有降低。
热导管是CPU散热器中的重要组成部分，但单靠热导管无法将导出的热量迅速散尽，因此需要配合散热风扇进行散热。
散热风扇作为CPU散热器的另一重要组成部分，其结构设计应满足以下要求：首先，散热风扇的转速应根据处理器的发热量进行调配。
过低的转速无法充分散热，过高的转速则会增加噪音和功耗。
通过智能控制，根据CPU的温度动态调整散热风扇的转速，可以在保证散热效果的同时减小噪音和功耗。
其次，散热风扇的叶片设计应具备较好的风量和压力特性。
为了达到更好的散热效果，增大散热风扇的风量是必要的。
然而，增大风量会带来更大的风阻，降低空气压力。
因此，叶片的曲线设计需要考虑到风量和风压之间的平衡，提高散热风扇的效率。
散热设计与结构工艺介绍
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。
热辐射
热辐射：又称辐射传热,是物质由于本身温度的原因激发产生电磁波而被另一 低温物体吸收后，又重新全部或部分地转变为热能的过程称为热辐射。
热辐射公式：Q＝5.67*10-8* ε *A* (Th4-Tc4) 其中： Q---热辐射产生的热量，单位W（瓦） ε ---是表面的辐射率 Th 与Tc ---分别为高温与低温面的温度，单位为： K或℃ A ---热量传递方向垂直的面积，单位为m2
有阻抗，无法排列很密
刨片式散热片 Skive
鳍片厚度可薄至0.5mm以下，同时鳍片与 先以挤型方式做出长条状带有凹槽的初胚，接着 底板是一体成行无界面阻抗之问题，另外 利用一特殊刀具将初胚创初一层层弯曲的鳍片出 量产不易，刀具易磨损，制造材料多。 具有高鳍片密度，高散热片面积，高热导 来。 性。 用锡膏将散热片和底板经高温炉粘在一起 细长比高、重量轻、散热面积大，可适 用不同材料之接合 成板高、制程较多、锡膏存 在有接口阻抗之问题
热设计的目的 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标准及规范所规定的最高温度。
热量传递的方式
热传导
热量传递 的方式
热辐射 热对流
热量传递的三种方式可以单独出现，也可以两种或三种形式同时出现
热传导
热传导：又称传导传热,简称导热，即在同一物体内或连接紧密的不同物体间， 热量自动地从高温向低温传递的方式称为热传导。热传导公式由傅立叶导热定 律得：
热传导公式：Q = K A △t / L 其中： Q---物体吸收或放出的热流量，单位为W（瓦） A---与热量传递方向垂直的面积，单位为m2 △t---高温与低温面的温度差，单位为或K或℃ L---两个面之间的距离，单位为m K---材料的导热系数，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.℃
产品结构热设计
产品结构热设计导言：产品结构热设计是指在产品设计过程中，针对产品的结构进行热学分析和设计的工作。
通过合理的热设计，可以保证产品在使用过程中的热稳定性和热性能，提高产品的可靠性和使用寿命。
一、热设计的重要性在现代工业中，热问题是产品设计中不可忽视的一个重要因素。
热问题的解决对于产品的性能和可靠性有着直接的影响。
因此，热设计在产品设计中具有重要的地位和作用。
二、热设计的目标热设计的目标是通过合理的热设计，使产品具有良好的散热性能，保证产品的热稳定性和可靠性。
具体来说，热设计需要考虑以下几个方面的问题：1. 散热设计：合理的散热设计可以保证产品在工作过程中的温度不超过允许范围，避免因过高的温度导致的故障和损坏。
2. 热传导设计：通过优化产品的热传导路径和热传导介质，提高产品的热传导效率，减少热阻，提高散热效果。
3. 热辐射设计：合理的热辐射设计可以通过增加散热面积和改善散热面的材料特性，提高产品的热辐射效率，减少热量的积累。
4. 热循环设计：合理的热循环设计可以通过优化产品的热循环路径和热循环介质，提高产品的热循环效率，减少热量的积累。
三、热设计的方法和工具热设计可以通过数值模拟和实验测试两种方法进行。
数值模拟是一种常用的热设计方法，可以通过计算机模拟和分析产品的热特性，预测产品的热行为。
常用的数值模拟工具有有限元分析软件和计算流体力学软件等。
实验测试是一种直接测量和观测产品的热特性的方法，可以通过实验数据对产品的热设计进行验证和优化。
四、热设计的应用领域热设计广泛应用于各个领域的产品设计中。
例如，在电子产品设计中，合理的热设计可以保证电子元器件的温度不超过允许范围，提高产品的可靠性和使用寿命。
在汽车工程中，热设计可以提高发动机的散热效果，减少热量的损失，提高汽车的燃油效率。
在航空航天工程中，热设计可以保证航空器在高温环境下的正常运行，减少热量对航空器的影响。
五、热设计的挑战和发展趋势随着科技的不断发展和产品性能的不断提高，热设计面临着越来越多的挑战。
机床热变形与结构热对称设计
设计与研究31机床热变形与结构热对称设计陈明亮(桂林电子科技大学信息科技学院，桂林541004)摘要：分析引起机床热变形的热源，探讨机床热变形机理，研究减少机床热变形及其影响的措施。
根据机 床的热特性，从误差防止的角度出发，提出减少或消除机床热变形的结构热对称设计方案。
关键词：机床热变形热对称引言机床的热变形特别是数控机床的热变形，是影响加工精度的主要因素。
研究与加工实践表明，在精密加 工中，机床自身热变形引起的制造误差占总制造误差的40%〜70%。
目前，减小机床热变形误差有误差防止和误差 补偿两种方法。
前者是通过设计和制造过程来减小或消除 误差，如优化设计、隔离热源等；后者是通过人为的制造 一种误差来抵消机床热变形引起的误差，即在数控系统中 根据机床热变形量进行误差补偿。
由于机床机械结构的复 杂性，热变形所引起的加工误差不易检测。
因此，误差补 偿范围和有效性也受到限制。
在高速高精度极端加工环境 下，解决机床热变形已逐步由误差补偿法转向误差防止法。
研究机床热特性，从结构优化和参数优化出发，寻求更加 合理的温度分布和刚度分布，控制机床结构热位移，己经 成为机床领域的重要研究课题。
1机床热变形机理1.1引起机床热变形的热源引起机床热变形的热源主要是切削热、损耗热形成的 内部热源以及环境、热辐射形成的外部热源，如图1所示。
切削热是切削加工过程中最主要的热源。
在切削（磨削）过程中，消耗于切削的弹、塑性变形能量及刀具、工件和 切屑之间摩擦的机械能，绝大部分都转变成了切削热。
机 床的损耗热主要是机床和液压系统中运动部件产生的，这 些部件的工作过程本质上是一个能量转换过程。
由于工作 效率难于到达100%，所以在这些能量转换过程中一定会发 生能量损耗，而损耗的能量将会进一步转变成热能。
损耗 热是局部发热，比切削热的热量较少。
外部热源的热辐射 及周围环境温度（如昼夜温度不同）对机床热变形的影响 也不容忽视，对大型、精密加工尤为重要。
电子设备“三防”设计和热设计..
5.防霉菌设计 克服霉菌危害的主要措施有以下几个方面：
选择不易长霉和耐霉性好的材料； 将设备严格密封，并使其内部空气保持干燥（相对湿度低于 65）、清洁； 设备表面涂覆防霉剂或防霉漆； 利用紫外线照射防霉并消灭已生长的霉菌； 在密封设备中充以高浓度的臭氧来消灭霉菌。
（二）合理的结构形式和表面镀涂层设计
在电子设备的结构设计中，设计是否合理，对环境适应能力 的影响最大，也是最主要的。因为大多数的腐蚀问题都能通过合 理的结构设计来避免。 1. 设备尤其是舱室外设备应尽量避免易积存腐蚀介质、雨水或冷凝
水的结构，采用各种行之有效的设计措施，进行排水、排液通风。
如焊接结构应采用连续焊缝设计，尽可能消除缝隙和凹坑结构， 防止积水、灰尘和盐雾。
破坏的主要形式
根据材料的相容性，合理选用不同类型的金属和镀层是极为重 要的。设计时必须综合材料的电气、力学、物理、化学以及加工性 能等特性而优选耐蚀性好的金属材料和不长霉、耐老化的非金属材 料。 耐腐蚀性能好的金属材料：金、铬、镍、钛及钛合金、
铝合金、铜合金和不锈钢等。
不长霉、耐老化的非金属材料：聚四氟乙烯、聚碳酸酯、 改性聚苯乙烯、有机玻璃和硅橡胶等。 考虑到经济因素，通常选铝合金、铜合金、不锈钢和优质碳素 钢等再镀覆金属层和涂覆非金属层联合保护。通常我们优先选择 经认证或多年实践证明是可靠的金属材料和非金属材料。对选用 的新材料，特别注意考虑其可靠性、工艺稳定性、供应的可能性。
电子设备“三防”设计和热设计
现代“三防”技术的范畴，已不单纯是一 项工艺技术的实施，而应当涉及到电路、结构、 工艺和综合性技术管理的各个方面，其中结构 设计是将“三防”贯彻到产品设计中的关键， 必须重视“三防设计”，而并非单纯的在产品 完成后进行“三防设计”。
热设计的基本原则
热设计的基本原则
热设计的基本原则：
1.热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计，结构设计，电气设计相互兼顾；并应遵守相应的国际，国内行业标准。
2.应将设备内温度控制在所规定的范围内，求得设备温度稳定性，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。
3.作为设备热设计的温度控制稳定装置，其在规定期限内的可靠性要大于设备的可靠性，必要时可采用冗余措施，考虑相应的设计余量，提高其可靠性。
4.热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。
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。
结构热设计
结构热设计
一、引言
二、结构热设计的概念和意义
1. 结构热设计的定义
2. 结构热设计的意义
三、结构热设计的基本原理
1. 热力学基础
2. 热传导原理
3. 热辐射原理
四、结构热设计的方法和步骤
1. 确定工作条件和要求
2. 分析结构受热方式和特点
3. 计算结构温度场分布和变化规律
4. 设计结构保护措施和降温措施
五、结构热设计的注意事项及应用范围
1. 注意事项
（1）考虑不同材料在高温下性能差异
（2）考虑不同部位受热程度差异
（3）考虑环境因素对结构影响
（4）考虑使用寿命等因素对结构影响 2. 应用范围
（1）航空航天领域
（2）核电站领域
（3）高速列车领域
六、案例分析：飞机发动机外壳的结构热设计
1. 案例背景
2. 热设计方法和步骤
3. 结果分析和结论
七、结论
八、参考文献。
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电子电气产品结构设计
在电子行业中的结构设计一般是：在电子设备中，由工程材料按合理的连接方式进行连接，且能安装电子元、器件及机械零、部件，使设备成为一个整体的基础结构，能够实现预定的电气、结构等功能。
而在电子行业中由于各种标准（国家标准、国际标准、行业标准等）对我们的设备提出了不同的要求。
如标准YD-T 1095-2000《通信用不间断电源UPS》标准、《UL1778》等。
其中标准要求有：
4.1 环境条件
4.1.1 正常使用条件
环境温度：5°C~40°C；相对湿度≤93%[（40±2）°C，无凝露]
海拔高度应不超过1000m；若超过1000m时按GB/T3859.2规定降容使用。
4.1.2 贮存运输环境及机械条件
温度：-25°C ~ +55°C（不含电池）
振动、冲击条件应符合GB/T 14715-93中的5.3.2规定。
4.2 外观与结构
4.2.1 机箱镀层牢固，漆面均匀，无剥落、锈蚀及裂痕等现象。
4.2.2 机箱表面平整，所有标牌、标记、文字符号应清晰、正确、整齐。
4.2.3 各种开关便于操作，灵活可靠。
4.4 电磁兼容限值
4.4.1传导干扰
在150KHz~30MHz频段内，系统电源线上的传导干扰电平应符合YD/T 983-1998
中5.1表2中规定的限制。
4.4.2 电磁辐射干扰
在30MHz~1000MHz频段内系统的电磁辐射干扰电压电平应符合YD/T 983-1998
中5.2表4中规定的限值。
4.4.3 抗干扰性能要求
应符合YD/T 983-1998中7.3表9中规定的判断准则。
第一讲结构设计与热设计
电子电气行业中的热设计是指，采用适当可靠的方法控制电子设备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，以保证设备正常运行的安全性和长期运行的可靠性。
在UPS中，主要的热源来自于开关管（IGBT、三极管、二极管等）、磁性元件（变压器、电感等）等。
由于开关管体积较小，其热密度较高，开关管的散热主要是采用传导的方式将热量传递到散热器上，再通过对流的方式散发到空气中。
磁性元件体积相对较大，其主要的散热方式为对流散热。
在UPS的热设计中除了主要考虑开关管、磁性元件外还需要考虑寿命受温度影响很大的电容。
1．结构设计与热设计的关系
1．1开关元件与散热器的安装，安装开关元件与散热器的扭矩应合适，使两者之间有较小的接触热阻：安装扭矩太小不能使元件与散热器良好接触，形成较大的热阻；扭矩过大能导致管荷产生应力和构件产生塑性变形，接触面反而减小，甚至结构破坏。
因而在设计安装时应对元件采用厂家或标准中给出的预紧力。
在我们产品中开关元件与散热器安装主要有三种方式：
铝基板无铅焊接孔洞
1．2
热设计对结构强度以及空间要求。
在开关管散热设计时多采用铝型材作为其散热
器，这样将不可避免的增大固定设计的强度。
而合理的利用散热器能够减轻整机的重量并缩小占用的空间。
1．3 热传递的方式主要有传导、对流、辐射三种方式。
在结构设计时应为热设计提供散热的途径。
对于自然冷却型机器除了热传导和热对流外，热辐射散出去的热量也占有多于1%的量，必要时可以通过涂漆增大辐射散热。
结构上应提高机壳对外界的传热能力
对于风机强制冷却，99%以上的热都是通过热传导和对流散出去，结构设计应为其提供良好的风道。
图a ，没有设计风道
图b ，设计好风道
变压器
热交换孔
1．4 强制风冷时，结构设计造成的风阻以及噪音的影响。
采用强制风冷时，应注意风机与开孔面板之间的距离以避免噪音的影响
1． 5开关管与散热器接触之间的绝缘材料一般有陶瓷和相变材料进行基本绝缘，对于
开关管的散热器与金属外壳连接部分结构上需要进行加强绝缘的设计。
1．6由于风扇的寿命有限，因而必要时需要对风扇进行易拆换的结构设计。
网孔
网孔
2．热设计的基本原则以及对整机系统布局的要求。
2．1 热设计的基本原则
保证热控制系统具有良好的冷却功能，保证设备内的电子器件均能在规定的热环境中正常运行，每个元器件的位置必须符合安装要求。
保证设备散热系统的可靠性，在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故障率低。
散热系统应有良好的热适用性。
设计中可调性必须留有余地，因为设备运行一段时间后，由于工程上的变化，可能惠引起损耗或流体流动的阻力增大，则要求增大其散热能力，以便无需多大的变更就能增加其散热能力。
散热系统应具有良好的可维修性。
散热系统应具有良好的经济性。
经济性包括热控制系统的初次投资成本、日常运行和维修费用。
设计一个性能良好的散热系统，应综合考虑各方面的因素，使其既能够满足热控制的要求，又能达到电气性能指标，所用的代价小，结构紧凑、工作可靠。
2．2 热设计对整机系统布局要求.
对温度敏感的热敏元件应放在设备的冷区，不应放在发热元件的附近以免热量对其影响
元器件的布置可根据其允许温度分类，允许温度较高的元件可放在允许温度较低的元器件之上，也可以根据耐热程度按递增的规律不知，耐热性好的元器件放在冷却气流下游，耐热性差的元器件放在冷却气流的上游。
带引线的电气元器件应尽量利用引线导热，安装使防止产生热应力，应有消除热应力的结构措施。
电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性以及有利于提高气流紊流程度
应尽量减小安装截面热阻以及传热路径上的热阻
元器件的安装应便于维修
2．3 元器件之间的热屏蔽
尽可能将通路直接到热源
减少高温与低温元器件之间的耦合，必要时加热屏蔽板形成热区和冷区
尽量降低空气或其它冷却剂的温度梯度
将高温元器件安装在内表面具有高的黑度、外表面低黑度的外壳中，这些外壳
与散热器有良好的导热连接。
元器件引线是重要的导热途径，引线尽可能粗大。
3．结构设计改善风道的方式
3．1整机布局使系统内的气流流畅。
3．2结构设计为热设计提供足够的稳压腔，便于空气的混合。
3．3充分利用各种散热器的特点，在布局上提高其散热效率。
图一
图二
图三
散
热
器
如上图所示，为充分利用热管特性以及热源分布的情况，在布局上逐步改善其热设计。
图一：初步设计时，将热管设计成一个整体，整个散热系统形成了很大的温度梯度，在冷却风流的下游开关管的温度较高。
图二：改善流道，并提供冷热风流的混合腔，提高散热效率。
图三：重新分布热源，让冷气流充分冷却热源。