风冷散热设计及验算方案
(整理)10风冷系统设计.
10 冷却系统设计发动机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如果不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃），机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。
经发动机冷却系带走的热量大约占燃料总热量的25%～30%左右。
发动机的冷却系根据所用冷却介质不同，分为风冷发动机和水冷发动机。
摩托车发动机采用风冷式的的居多，这使得发动机结构简单、质量轻，使用和维修方便，避免了水冷式常见的故障，工作较为可靠，同时有起动快、暖机快、气缸磨损量小的优点。
综上所述，本设计采用自然风冷式。
10.1 风冷发动机的散热与散热片在风冷发动机中，由气缸内燃气向外界冷却空气的传热过程是一个很复杂的过程，为计算方便，可将这一过程分为三个阶段：1）从燃气向气缸内壁的传热； 2）从气缸内壁向外壁的导热；3）从气缸外壁向冷却空气的传热。
10.1.1从燃气向气缸内壁的传热发动机气缸内的传热是一个复杂的过程。
在进气过程中进入气缸内的可燃混合气，温度低于缸壁的温度，这时气缸壁面将热量传给可燃混合气。
随着缸内混合气被压缩，其温度不断上升，开始由混合气向壁面放热，由于混合气在气缸中的运动，这一过程是一个复杂的对流换热过程。
在燃烧过程中产生的高温燃气，这时除了对流放热外，还有气体辐射和火焰辐射，形成了更为复杂的燃气向气缸内壁的放热过程。
膨胀过程和排气过程中，由于燃气温度较高，都是由燃气向气缸壁放热。
发动机气缸内的传热是对流换热和辐射换热的周期变化的过程。
在每一个工作循环内，工质向气缸壁的传热量可用下式表示：()()t g t g r d t t F Q 1001-+=⎰αα式中 r α——辐射放热系数；g α——接触放热系数；g t ——工质瞬时温度；1t ——缸壁表面温度；F 0——与工质接触的缸壁面积。
放热系数g α与工质的速度、压力、温度以及壁面形状和温度等因素有关。
设备散热器风扇的选型和设计计算
设备散热器风扇的选型和设计计算一、选型1.确定散热要求：首先需要确定设备的散热要求，包括散热功率和散热温度。
散热功率指设备在工作状态下产生的热量，一般单位为瓦特（W）。
可以通过设备的技术规格书或者测试数据来获取。
散热温度指设备的工作温度，一般以最高工作温度为基准。
如果设备的工作温度过高，可能会导致设备的性能下降或者故障。
2.风扇的空气流量：在选型过程中，需要确定所需要的风扇的空气流量。
空气流量是风扇在单位时间内能够移动的空气体积。
一般单位为立方米/小时（m³/h）。
空气流量的大小跟设备的散热功率有关，可以通过下面的公式计算：空气流量=散热功率/(ΔT*空气比热)其中，ΔT为散热温度和环境温度之差，单位为摄氏度（℃），空气比热一般为1.007J/g℃。
3.风扇的静压：静压是风扇在单位面积上产生的压力。
它决定了风扇能否将空气有效地送到散热器上，影响了散热器的散热效果。
一般单位为帕斯卡（Pa）。
散热器的阻力越大，所需的风扇静压越大。
可以通过设备的技术规格书或者测试数据来获取。
4.根据散热器的尺寸和安装位置来确定风扇的尺寸和形式。
风扇的尺寸和形式需要与散热器相匹配，以确保能够充分利用空间，并且方便安装。
二、设计计算1.根据选型得到的风扇空气流量，可以计算风扇的转速。
转速=空气流量/（π*风叶半径²*风叶速度）*60其中，π为圆周率，风叶半径为风扇风叶的半径，风叶速度为风叶转速的线速度。
2.根据选项得到的风扇静压，可以计算风扇的功率。
风扇功率=风扇静压*空气流量/风扇效率风扇功率可以根据设备的电源容量来选择。
3.确定散热器的设计参数，包括材质、散热片面积和散热片厚度。
散热器的材质需要具有良好的导热性能，一般选择铝合金或铜。
散热片的面积越大，散热效果越好。
根据散热要求，可以计算散热片的面积。
散热片的厚度一般选择1-5mm，最大不宜超过10mm。
过厚可能导致热阻增加。
4.根据散热器的面积和散热管的数量和直径，可以计算热阻。
设计散热系统时风扇选型的计算
设计散热系统时风扇选型的计算散热系统在电子设备、汽车引擎等领域起着非常重要的作用。
在设计散热系统时，选择合适的风扇是至关重要的一步。
本文将介绍风扇选型的基本原则和计算方法。
首先，进行风扇选型之前，需要明确散热系统的热量负荷。
热量负荷是指需要散热的设备所产生的热量。
可以通过测量设备表面的温度差和设备功率来确定热量负荷。
通常，热量负荷可以表示为以下公式：Q=Cpxmx(T2-T1)其中，Q是热量负荷（单位为瓦特），Cp是设备的热容量（单位为焦耳/千克摄氏度），m是设备的质量（单位为千克），T2是设备的最高温度（单位为摄氏度），T1是环境温度（单位为摄氏度）。
在得到热量负荷后，可以计算所需的风扇流量。
流量是指风扇每分钟能够排出的空气体积。
流量可以通过以下公式计算：Qf=Q/(ρxΔTx60)其中，Qf是风扇流量（单位为立方米/分钟），Q是热量负荷（单位为瓦特），ρ是空气密度（单位为千克/立方米），ΔT是设备最高温度和环境温度的温差（单位为摄氏度）。
在得到风扇流量后，可以选择适当的风扇。
风扇的选择应根据所需的风压和风量进行。
风压是指风扇产生的静态压力，可以通过以下公式计算：P=ρxQfxVf其中，P是风压（单位为帕斯卡），ρ是空气密度（单位为千克/立方米），Qf是风扇流量（单位为立方米/分钟），Vf是风扇转速（单位为转/分钟）。
风扇的风压和流量特性通常在其性能曲线图中给出。
根据实际需要，在性能曲线图上找到满足所需风压和风量的点。
此外，还需要考虑一些其他因素，如噪音和功耗。
风扇的噪音和功耗也应该在风扇选型时进行评估，以确保其不会对整个系统造成负面影响。
总结起来，进行风扇选型时，需要先确定热量负荷，然后根据热量负荷计算所需的风扇流量，并选择满足所需风压和风量的风扇。
此外，还需要考虑风扇的噪音和功耗等其他因素。
通过合理的风扇选型，可以保证散热系统的稳定性和高效性。
设备散热器风扇的选型和设计计算
设备散热器风扇的选型和设计计算
一.散热器风扇的选型
1.冷却需求
在设计散热器风扇之前，必须首先明确设备下冷却需求以确定合适的
散热器风扇。
根据设备的不同，其冷却需求也就不同，常见的冷却需求包括：吹出气流量需求、冷却负荷需求及冷却热率需求等。
2.电气参数
在选择散热器风扇时，要考虑的电气参数有：电压、电流、频率、电
动机效率、转速、工作环境温度、噪声等。
3.外形特性
外形特性是指散热器的尺寸、外观以及安装方式等。
根据设备的空间
尺寸和外形，可确定散热器的尺寸和安装方式，以满足设备的外形要求。
4.性能特性
性能特性是指电气和机械性能及外形参数。
电气性能主要包括转子有
效电阻、绝缘电阻、反噪比等，而机械性能主要包括轴承类型、轴承寿命、振动、噪声及行程等。
二.散热器风扇的设计计算
1.风量计算
风量是指风机在满载条件下，单位时间（或者单位理论转速）所能吹
出的空气的热量质量。
在风机设计中，应确定风机的满载风量，以满足设
备的即时冷却需求。
2.功率计算。
风冷冷凝器计算范文
风冷冷凝器计算范文风冷冷凝器，简称风冷器，是一种能够将冷凝器热量散发到周围环境中的设备。
风冷冷凝器广泛应用于空调、冷冻装置、制冷设备等工业领域中。
本文将从风冷冷凝器的工作原理、设计参数以及计算方法等方面进行介绍，以期使读者对风冷冷凝器有更全面的了解。
一、风冷冷凝器的工作原理及结构在工作时，高温高压的冷凝气体经过冷凝器管路，在与环境空气接触的同时，将其热量散发给环境。
散热管路一般呈螺旋形状，以增加散热面积，并使用铜制、铝制等材料进行制造，以提高散热效率。
散热风机则负责驱动空气流动，使环境空气能够与散热管路进行充分接触，从而增加热量的散发。
二、风冷冷凝器的设计参数1.冷凝器的换热面积冷凝器换热面积的大小是决定冷凝器散热效果的重要参数。
一般情况下，冷凝器换热面积越大，其散热效果越好。
冷凝器换热面积的大小与冷凝器的制冷量有关，可用以下公式进行估算：A=Q/(U×ΔT)其中，A为冷凝器的换热面积，Q为制冷量，U为传热系数，ΔT为冷凝器的温差。
2.散热风机的风量及风压散热风机的风量及风压是冷凝器散热效果的另外两个重要参数。
风量指的是风冷冷凝器单位时间内所能排出的空气量，一般以立方米/小时为单位进行计算。
风压则是指风冷冷凝器风机所能产生的风压差，一般以帕斯卡为单位进行计算。
散热风机的风量和风压参数可通过对风冷冷凝器的应用需求进行计算和估算。
三、风冷冷凝器的计算方法1.制冷量的计算制冷量的计算主要是根据制冷设备的需求来进行估算。
一般情况下，制冷量可通过以下公式进行计算：Q=m×h其中，Q为制冷量，m为冷凝器流经量；h为冷凝器出口焓值减去入口焓值的差。
2.换热面积的计算换热面积的计算可通过以下公式进行估算：A=Q/(U×ΔT)其中，A为换热面积，Q为制冷量，U为传热系数，ΔT为冷凝器温差。
3.风量的计算风量的计算主要是根据风冷冷凝器的整体尺寸和结构进行估算。
一般情况下，风量的计算可通过以下公式进行估算：Q=ρ×V其中，Q为风量，ρ为空气密度，V为风速。
散热设计及评估
2、强迫风冷的器件布局原则
充分考虑速大的 区域有利于散热进行布局设计将会使单板 获得 较优良的散热设计。
通过PWB散热的器件有必要片 面要求单板表面风速均匀。 当沿着气流来流方向布置的一系列器件都需要加散热器时，器
件尽量
沿着气流方向错列布置，可以降低上下游器件相互间的影响避 免将高大的元器件（结构件等）放在高发热元器件的上方。
因此对于被散热器遮挡的器件需要给出特别 关注。
注意单板风阻均匀化的问题：单板上器件尽量分散均匀布置，避免沿 风道方向留有较大的空域，从而影响单板元器件的整体散热效果
散热过孔设计
对于热设计来说，真正起到散热作用 的只有器件PAD底部的过孔和器件接地管脚旁边的几个过孔，这部分过 孔的设计就非常重要:
测试和分析研究表明，散热最优的过孔设计方案为：孔径10～ 12mil， 孔中心间距30～40mil，也可以根据器件的热耗水平和温度控
制要求对过孔数量进行优化
六、单板布局原则 ---1.器件布局原则
1) 发热器件应尽可能分散布置，使 得单板表面热耗均匀，有利于散 热。
2）不要使热敏感器件或功耗大的器 件彼此靠近放置，使得热敏感 器件 远离高温发热器件，常见的热敏感 的器件包括晶振、内存、 CPU等。
3）要把热敏感元器件安排在最冷区 域。对自然对流冷却设备，如 果外 壳密封，要把热敏感器件置于底 部，其它元器件置于上部；如 果壳不密封，要把热敏感器件置于冷
影响散热的外因是器件管脚与PWB的传热热阻和器件 上表面与环境的对流散热热阻。内因源于SOP封装本身很高传热热阻
1)die的热量通过封装材料（mold compound ）传导到器件上表面然后对流散热，低 导热的封装材料影响传热。 2)die热量通过pad、封装材料和器件底面与PWB之间的空气层后，递到PWB散 热，低导热的封装材料和空气层影响传热。 3)die热量通过lead Frame传递到PWB，lead frame和die之间是极细的键合线 （golden wire），因此die和leadframe之间存在很大的导热热阻，限制了管脚散热 。
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风冷散热设计及验算方案 一、散热器的选配 1、选用散热器的依据 电力半导体器件（以下简称器件）的耗散功率、热阻（结壳热阻与接触热阻之和）和冷却介质的入口温度等，是选用散热器的基本依据。器件被应用在各种各样的工况，在选用散热器时应该正确识别散热器、绝缘件和紧固件的型号和含义，了解不同散热器的散热能力和范围。通常，一种器件仅从参数看，可能有两、三种散热器都能满足要求，但应结合自己的应用情况，诸如：冷却、安装、通用互换和经济性来综合考虑选取一种最佳的散热器。
2、散热器选用计算方法 散热器的配置目的，是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境，并使其热源即结点的温度不超过jT，取环境温度aT，用公式表示为： PQ ‥…‥…‥…‥…①
()/jaQTTR‥…‥…②
其中：P，元件的损耗功率； Q，耗散功率，散热结构的散热能力；
jT，元件工作结温，即元件允许的最高工作温度极限，取jT=125°C；
aT，环境温度，水冷时规定为35°C，风冷时规定为40°C。
R，热阻，热量在媒质之间传递时，单位功耗所产生的温升；
jccssaRRRR‥…‥…③
jcR，结点至管壳的热阻，Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系由制造商给出，
范围一般为 0.8～2.0 K/W；
csR，管壳至散热器的热阻，与管壳和散热器之间的填隙，介质接触面的粗糙度平面
度以及安装的压力等密切相关，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，表1为某些典型接触面的接触热阻值；
saR，散热器至空气的热阻，是散热器选择的重要参数，它与材质材料的形状和表面
积体积以及空气流速等参量有关。 综合①②③，得到： /sajajccsRTTPRR
‥…‥…④
参见（JB/T9684-2000 电力半导体器件用散热器选用导则） 根据④式计算的热阻值，如果选用标准散热器，则查询散热器标准（GB/T8446.1电力半导
体器件用散热器），标准中热阻值与saR计算值相同，或小于又接近于计算值的散热器即为所选用的散热器；如果为非标准型散热器，需要厂家提供散热器的热阻，该热阻值应小于saR（并且比较接近）。 3、肋片式散热器的热阻计算 （参考：电子设备热设计及分析技术，余建祖等编，北京航空航天大学出版社）： 肋片式散热器热阻计算公式为： 01RA
其中：R，散热器换热热阻； ，表面传热系数；
A， 带肋片壁面的总表面积，fAAA，fA为肋片表面积，A未被肋片根部遮盖的基壁面积；
0，表面效率，有效传热面积与总传热面积之比，01(1)ffAA，
tan()fhmhmh（h为肋片高度，m为肋片材料和流体物性的函数），
2m
（为肋片材料的导热系数，肋片厚度）；
肋片式散热器散热功率Q计算 ()/SaQTTR
其中：ST，为散热器温度；
aT，为环境温度。
二、模块的损耗P 1、IGBT模块损耗 IGBT模块由IGBT部和并联二极管组成，它们各自发生的损耗合计即为IGBT模块整体发生的损耗。另外发生损耗的情况可分为稳态时和交换时。
2、IGBT损耗计算 （参考：变频器的热耗计算及散热分析.刘玉芬.程洪亮.优化设计 高压变频器中IGBT模块的选择及计算分析.吴加林.变频器世界） 在PWM 工作方式下，一个IGBT 模块的总损耗包括单个IGBT 及其并联二极管的损耗之
和AP。
ATDPPP ‥…‥…⑤；
TsatswPPP ‥…‥…⑥；
由式⑤、⑥、⑦得出：
satswDPPPP‥…‥…⑦
其中：TP，单个IGBT的总损耗；
DP，单个二极管的总损耗；
satP，单个IGBT的通态损耗；
swP，单个IGBT的开关损耗；
DP，单个二极管的通态损耗；
对于IGBT的通态损耗satP，()1()cos83satCPCEsatDPIU‥…‥…⑧；
对于IGBT的开关损耗swP，()()1()swonoffPWMPEEf‥…‥…⑨； 对于二极管的通态损耗DP，1()cos83DcpFDPIU‥…‥…⑩； 其中：cpI，变频器正弦输出电流的峰值电流； ()CEsatU，指在125°C时，峰值电流cpI下，IGBT的饱和压降；
D，PWM信号占空比； cos，功率因数；
()onE，表示jT=125°C时，峰值电流cpI下从曲线上可查到的开通能量；
()offE，表示jT=125°C时，峰值电流cpI下从曲线上可查到的关断能量；
PWMf，指变频器的PWM开关频率；
FU，二极管的通态压降。
通过查询相关图表，确定所需的参数后，即可计算出所需的IGBT模块的总功耗。 3、整流桥二极管损耗 （参考：高压变频器散热系统的设计.王丹.电力电子技术） 二极管整流时的功耗为： 0.51DiodemFmDMrrrmRPIVIVtfIV
其中：，为占空比； mI，导通电流最大值；
FV，二极管导通压降；
DMV，截止承受反向电压；
rrt，反向恢复时间；
f，开关频率；
rmI，漏电流；
RV，反向电压；
三、风机选型与风道设计 1、风机选择方法 选择通风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等，其中风量和风压是主要参数。 根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。 当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。 通风机工作时的噪音应控制在一定范围之内。
2、风机风量计算 （参考：电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计.张忠海.电子机械工程） 假设所选散热器合理，那么散热器可以将发热量传递到散热空间。所选风机将热量排出设备外，风机的风量应能将全部发热量带走。根据热平衡方程：
0Pi
QLCtt
‥…‥…⑾
其中：L，为冷却空气流量，m3/s； Q，为设备发热量，kW； ，为空气的密度，kg／m3，干燥空气的密度可由下式计算：
15
2731.2932731.01310Pt
，式中：ρ，空气密度，kg/m3；t温度，℃；P1
使用大气压力，Pa； PC，为空气的比热，kJ/(kg·℃)；
0t，为冷却空气出口温度，℃； it，为冷却空气入口温度，℃； 上述计算出的风量为带走发热量所需风量。考虑风量的泄漏损失及提高散热的可靠性，工程中按照1.5～2倍的裕量选择风扇的最大风量。 根据风量计算值和风道截面（实际的风道设计方案确定），可以计算需要的风速，如果风速值接近自然对流的风速（<0.5m/s），可以采用自然冷却方式。
3、风阻计算确定风机工作点 （参考：电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计.张忠海.电子机械工程） 系统压力损失（也称压降）包括沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失，它是由流体流经管道壁面时与壁面之间的摩擦引起，也称为静压损失；局部压力损失，它是由流体进、出口以及流经弯头、截面突变、滤网等处引起的，也称为动压损失。 沿程压力损失计算公式： 2
2lelvpfd
‥…‥…⑿
式中：lp，沿程压力损失，Pa； f ，沿程阻力系数； l ，管道长度，m； v ，空气平均流速，m/s； ρ，空气密度，kg/m3；
de，当量直径，2eabdab，a、b为矩形风道的边长。
对于光滑的管道，其沿程阻力系数f只是Re的函数，可用下列公式计算： a. 层流时，64/Ref；
b. 紊流且Re≤105时：0.250.3164Ref； c. 紊流且105 ＜Re＜3× 106时：0.20.184Ref； 由式⑿可以得到风道的风量和风阻关系曲线，在风机与风道的特性曲线图中画出，两条曲线的交点为风机的工作点，即风道的风阻力。该点应在特性曲线变化率最小的点附近，风机的工作效率最高。