机箱散热计算设计
机载机箱液冷与风冷技术的散热性能对比研究
机载机箱液冷与风冷技术的散热性能对比研究赵波【摘要】随着机载机箱内部的热密度越来越高以及安装空间的有限性,对机箱的散热性能和外形尺寸也提出了更高的要求. 首先分析了强迫风冷的散热方式,其次运用Flotherm软件对液冷机箱的散热性能进行了仿真验证,结果表明液冷机箱能更好地满足高热流密度的散热要求和结构外形要求.%With heat density inside the airborne cabinet rapidly improves higher and higher, and considering the limited instal-lation space, we propose higher request to the heat dissipation and the boundary dimension of cabinet. In this paper, we firstly introduce the heat dissipation pattern of forced-air cooling, and then use the software FLOTHERM to conduct simulation veri-fication on the heat dissipation performance of the liquid-cooled chassis. The results show that liquid-cooled chassis can bet-ter satisfies requirements on aspects of the heat dissipation and the structure appearance of high heating flux density.【期刊名称】《机械研究与应用》【年(卷),期】2015(028)006【总页数】3页(P10-11,13)【关键词】液冷机箱;热设计;强迫风冷【作者】赵波【作者单位】中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江嘉兴 314033【正文语种】中文【中图分类】V243.2随着电子技术的发展,高功耗电子器件的增多,且目前机箱基本都采用标准模块,热流密度大,散热空间小,随之带来的问题就是对电子设备的散热性能要求越来越高,器件过热已成为电子产品实效的主要原因之一,严重影响了电子设备的可靠性和工作寿命。
热设计复习
Chapter 1.1.器件失效率与温度之间的关系（阿里厄尼斯公式）F=Ae−E KT2.电子设备的预期热环境环境温度和压力的极限值环境温度和压力的变化率太阳或周围其他物体的辐射热载荷可利用的热沉状况冷却剂的种类、温度、压力和允许压降Chapter 21.导热1)热量传递基本形式Φ=KAΔt2)导热的微观机理固体和液体——弹性波；气体——分子热运动；金属——自由电子3)傅里叶定律Φ=-λA dtdn4）5）通过圆筒壁的热流量6）复合平壁、圆筒壁:热阻串并联——热阻网络图7）减小导热热阻的方法：缩短路径，增大面积，提高导热系数。
2.对流1）影响因素：流体起因；流动状态；流体有无相变；换热表面的几何因素；流体的物性参数2）牛顿冷却公式：Φ=hA(t w−t f) [W]3）量纲分析（π定理）：一个由m个量纲一致的物理量组成的方程式，如果这m个物理量所涉及的基本量纲数为n，则该方程式一定可以转换成m-n个独立的无量纲特征数组成的特征数关联式。
4）定性温度：相似特征数中所包含的物性参数，往往取决于温度流体沿平板流动换热：t f=t∞热边界层的平均温度：t m=(t w+t f)/2 -壁温流体温度平均值流体在管内流动换热：t f=(t f′+t f′′)/2 -进出口温度平均值特征尺寸：包含在相似特征数中的几何尺寸管内流动换热，取直径d；沿平板流动换热，取板长l；不规则槽道，取当量直径d=4A/U 5）6）管内强迫对流： R e<2300-层流；R e>10000-紊流7）外掠平板：R e<105-层流； R e>105-紊流8）自然对流：N u=C(G r P r)n9）对流换热热阻：R=1hA10）3.辐射换热1）特点：1.不依靠物质接触而进行热量传递2.过程伴随着能量形式的转化：热能-电磁波能-热能3.一切物体只要温度大于0K，都会不停地发射热射线)42）E b=5.67(T1003)● 在热平衡条件下，任何物体的辐射和它对来自于黑体辐射的吸收比的比值恒等于同温下该物体的发射率.● 热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温下该物体的的辐射率 ● 黑度ε的大小表示实际物体的辐射能力与同温度黑体辐射能力的接近程度5） 角系数的定义及性质定义：表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分比称为表面1对表面2的角系数，记为F12性质：相对性 F 12A 1=F 21A 2; 完整性 F ij n j=1 ;可加性F 12= F 1,2I n i=16) 交叉线公式7） 辐射换热的网络分析：表面热阻 1−εεA 空间换热热阻 1F 12A 1热阻网络图求解 8）Chapter 3 冷却方法的选择依据：表面热流密度和体积热流密度Chapter 4 器件的热特性内热阻定义：Chapter 5 自然冷却1） 印制板的设计（散热能力的增强）● 提高基板材料的导热能力● 采用金属化过孔提高PCB 的法向传热能力● 采用金属散热印制板● 器件在PCB 上的合理布局2） 机箱的自然冷却散热量计算（包括自然对流+辐射+通风孔）其中通风孔散热量：Φ=C p ρuA ∆t u 取0.15m/sChapter 6 散热器1) 肋片效率η的定义及计算2） 肋片散热量计算步骤3）等效热阻网络4）接触热阻定义及减小方法两壁面之间只有接触的地方才直接导热，在不接触处存在空隙，热量是通过充满空隙的流体的导热、对流和辐射的方式传递的，因而存在传热阻力，称为接触热阻5）自然对流、强迫风冷如何减小热阻Chapter 7 强迫风冷1）空气吸热量计算2）风机的种类、特点、特性曲线及工作点的确定轴流式风机：风量大，风压小离心式风机：风量小，风压大3）风机串并联特点及应用场合串联：风量满足要求，风压不够（即风道阻力较大）时采用串联，每台风机风量略有增加，总风压为相同风量下两台通风机风压相加。
计算机液气一体式CPU散热器设计研究
计算机液气一体式CPU散热器设计研究作者：***来源：《电脑知识与技术》2022年第36期关键词：CPU 散热器；液气一体式；水冷（液冷）；风冷中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2022）36-0118-03计算机经过半个多世纪的发展，已在各行各业被广泛应用，引起了产业结构、产品结构、经营管理和服务方式等方面的重大变革。
计算机的运算核心和控制核心是一块超大规模的集成电路，被称为中央处理器（CPU，Central Processing Unit）[1]。
随着计算机在性能、计算量以及体积等方面的革新与进步，CPU朝高集成化、小型化和高频化趋势发展，导致CPU运算产生的热量不断增加。
由于CPU主要以硅或硅化合物为材料制造，而硅的导热性不佳，因此CPU产生的热量无法及时散出，轻则导致死机，重则可能将CPU烧毁，给电脑带来潜在的隐患[2]。
总之，散热对CPU的稳定运行和使用寿命起着决定性的作用。
所谓散热，就是想办法将热源的热量带走。
就散热方式而言，CPU冷却可分为主动散热和被动散热两种方式。
目前市面的风冷和液冷散热技术属于被动散热。
两种散热技术各有优缺点，如风冷体积小，价格低，是现在普通家庭计算机使用的首选。
但风冷主要是铜管和风扇联用，而铜的比热容较小，导致当CPU超频工作过热时，铜管无法及时散热，热量堆积，损坏CPU。
液冷散热效率高，但是冷排与液泵的体积过于庞大，严重占用机箱体积，而且使用塑胶管运水，在CPU过热时会导致胶管老化，出现漏液等[1-4]。
因此，设计体积小且散热效率高的散热器已成CPU亟待解决的关键问题。
鉴于液冷和风冷散热器各有千秋，本研究试图设计出一款融二者为一体的液气一体式CPU散热器，发挥出风冷散热器体积小，液冷散热器散热效率高的优点。
1 材料与方法1.1 组成材料本研究设计所需要的材料主要包括1个水泵、大小两种规格的铜管，2台风扇、铜板、铝块、空心铝管。
电脑及服务器的热设计
电脑及服务器的热设计文/何国安(富士康科技集团CMMSG事业处 Server RD)电脑的重要元器件主要由晶体管组成，温度对二极管性能的影响非常大，温度影响元器件的性能和寿命。
温度过高对风扇与硬盘等其他零件的寿命影响也非常大，对风扇来说，温度每上升10℃，其寿命同样会缩短一半。
1 电脑服务器散热技术发展电脑服务器等的散热主要经历了铝型材散热片、接著散热片、镶嵌热管散热器、平板热管散热器以及水冷散热器与热电制冷散热器等发展过程。
目前后两种散热器由于各自的使用条件相对要求较高仍未得到广泛应用。
IBM第一部个人计算机（PC）已经使用电动风扇来散热，不过只用于电源，此风扇主要是为了加速电源部分的电路散热，而非机内主板部分的散热，不过它对主板方面也有一定的散热效果。
图1 1981年的IBM PC开始就有使用风扇散热（图片来自：）在80286后期与80386前期时CPU开始使用散热鳍片（Heat Sink，简称：散热片），这是在80286将运作频率从16MHz提升到20MHz时所使用，另外80386SX 也有使用，除此之外x86处理器多半用新封装、新制程的技术方式来克服散热，使其保持不用散热片也能正常运作，一直到80486SX-20、80486DX-25为止。
此后的80486DX-33就几乎都要搭配散热片，甚至采用风扇来散热。
不过此时除了处理器外，主板上的其他电子组件都还不用特别的散热设计，仍然是使用传统的对流散热。
图2 典型 CPU 散热片Pentium世代，PC提出了硬件监督机制的补强、改善方案，增加了处理器温度、风扇转速等监控措施。
但是处理器用电愈来愈凶，温度愈来愈高，因此业界开始提出用热电致冷器（ThermoElectric Cooler：TEC）进行散热的方案。
硬件监督机制与致冷器，都约在1996年、1997年间提出，硬件监督机制目前已经成为各款型PC的基础管理功能，而致冷器则因诸多因素而未能持续采用，主要原因是致冷器效率低，自身需消耗大量电力，热端需要的散热量更大等。
散热器(肋片)研究报告
研究总结报告——散热器（肋片）仿真总结一、研究内容散热器设计是决定散热器效能的最重要因素，从散热的过程来看，分为吸热、导热、散热三个步骤。
热量从芯片中产生，散热器与芯片接触端要及时吸取热量，之后传递到散热片上或其它介质当中，最后再将热量发散至环境当中。
因此，散热器设计应从这三个步骤入手，分别将吸热、导热、散热的性能提升，才能获得较好的整体散热效果。
常见的肋片形式有以下几种：平行矩形直肋、平行矩形针肋、交错矩形针肋、平行圆柱针肋、交错圆形针肋。
他们的适用场合、生产工艺、散热性能各不相同，本文就常见强迫风冷散热形式建模，仿真分析以上几种肋片形式散热器的散热性能。
肋片尺寸直接约束着肋片的散热性能，其影响可以在肋片传热的近似解中看到。
图1是常见的矩形等截面直肋的形状尺寸示意图。
图 1 矩形直肋形状尺寸示意图设温度在与x轴垂直的截面上均匀分布，即只是x的函数，肋片导热系数为k，肋表面对周围流体的换热系数为h，周围流体温度为tf，肋根温度为t0，截面不变（等截面面积Ac和周长U为常数），肋厚为U，肋厚为δ。
把肋片的某一微元体dx视为稳态系统，设单位时间导入、导出微元段的热量为Qx和Qx+dx，微元段向周围介质的对流换热热量为Qc，根据能量守恒原理，其热平衡关系为（1-1）根据文献[26]中的推导，可得到肋片的肋效率为（1-2）设肋片表面积为A1，两肋之间的平壁面积为A2，则肋片总换热面积Ah为（1-3）两肋之间平壁温度为t0，肋片表面温度为tl（仍假设沿肋横截面的温度均匀分布，但沿肋x方向tl不是常数），则肋片表面的对流换热热流量为(1-4)式中，为肋表面的平均温度。
根据肋效率的定义，可用肋效率表示成(1-5)于是式(5-4)可变为(1-6)肋片的数量主要是影响肋片与地面的接触面积和类间距两方面，从而改变散热器的散热性能，增加肋片数量，会增大肋片与底面的接触面积，但同时会减小肋间距，所以这一矛盾的存在预示着肋片数目存在着一个最佳数目值，这个值使散热器的散热效率达到最高。
电子产品热设计与工程案例分析
Accelink Technologies Co., Ltd.
第二部分 以空气为介质的冷 却
2.1、空冷首先应当重视对流 2.2、空冷中的传导 2.3、风冷中的风道设计与风机选用
三、传热路径
从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备 的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即 相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的 环境。
三、对流换热
⑴ 基本概念及计算式
流动产生的原因自强然迫对对流流
流动性质
层流 湍流
牛顿冷却公式： Q AT
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流 换热能力。
由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：
Rt
1
A
通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程
自然对流 Nu c(GrPr)n
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1.3 热量传递的基本方式和有关定律
一、热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射
二、导热（热传导）
傅立叶导热定律：
Q A T W
x
A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，单位W/(m·K)，它是表征 材料导热能力流换热系数： Nu
L
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四、辐射换热
➢ 辐射能以电磁波的形式传递 ➢ 任意物体的辐射力可以用下式计算：
热阻温升计算公式
热阻温升计算公式好的，以下是为您生成的关于“热阻温升计算公式”的文章：在我们的日常生活和各种工程应用中，热阻温升可是个相当重要的概念。
你可能会觉得这东西离咱普通人很远，其实啊，它就在我们身边，只是你没留意罢了。
比如说，你用手机玩游戏玩久了，手机是不是会发烫？这发烫的程度就和热阻温升有关系。
再比如说，你家的电脑主机，运行大型程序时间长了，风扇呼呼转，机箱也热得不行，这里面也有热阻温升在“捣乱”。
那到底啥是热阻温升计算公式呢？其实它就是用来计算由于热阻存在，导致温度升高的一个工具。
热阻就好比是一条道路上的阻碍，热量想要通过就得费点劲儿，而这个费劲的程度就决定了温度会升高多少。
咱们先来看这个公式：温升ΔT = P × Rth 。
这里的ΔT 就是温升啦，P 表示的是发热功率，Rth 呢就是热阻。
打个比方吧，假设一台电脑的 CPU 发热功率是 100 瓦，它和散热器之间的热阻是 0.1 摄氏度/瓦。
那通过这个公式一算，温升ΔT = 100× 0.1 = 10 摄氏度。
这就意味着，如果环境温度是 25 摄氏度，那 CPU的温度就会升高到 35 摄氏度。
热阻温升计算公式在很多领域都大有用处。
像电子设备的设计中，工程师们就得靠它来确保设备不会因为过热而出问题。
比如说设计手机的时候，得考虑到芯片的发热功率，还有和外壳之间的热阻，算好了温升，才能保证咱们用手机的时候不会被烫到。
我还记得有一次，我自己在家捣鼓一个小电子制作。
当时我用了一个功率有点大的电阻，也没太在意散热的问题。
结果东西做好一通电，没一会儿就闻到一股焦糊味儿，手一摸那个电阻，烫得要命！这就是没好好算热阻温升吃的亏呀。
在工业生产中，热阻温升计算公式也是必不可少的。
比如大型机器的运转，要是热阻没处理好，温度升得太高，机器可能就会出故障，甚至引发安全事故。
对于咱们普通人来说，了解热阻温升计算公式虽然不能让咱马上变成专家，但至少能让咱们在碰到一些和温度相关的问题时，多一点思考的方向。
CPU的散热设计功耗（TDP）和实际功耗没有直接关系
CPU的散热设计功耗（TDP）和实际功耗没有直接关系展开全文当CPU的散热设计功耗(TDP: Thermal Design Power) 值最主要是提供给计算机系统厂商，散热片/风扇厂商，以及机箱厂商等等进行系统时使用的。
因为TDP的值表明，对应系列CPU 的最终版本在满负荷(CPU 利用率为100%的理论上)可能会达到的最高散热热量。
但是，TDP值并不等同于CPU的实际功耗，更没有算术关系。
CPU的实际功耗没有捷径获得，只能实际测试。
实际功耗对最终用户才有意义。
下图是英特尔公司中国应用设计中心(ADC) 设计的测试PC 功耗的简单工具对于一个系列的CPU，英特尔一般给出一个整体的TDP值，不会为每个系列的不同型号的CPU提供不同的TDP值，所以大家可以看到一大批不同型号的CPU都通用一个TDP值。
例如，英特尔已经发布的酷睿2 双核 6xxx 系列，4xxx 系列和奔腾双核 2xxx 系列，甚至这些系列后续的新型号，提供的散热设计功耗(TDP)值都为65W，CPU的主频跨度从1.6GHz 到3.0GHz，甚至将来更高主频的产品。
难道这些CPU的理论最高散热功耗都为65W(瓦)？不是的。
只有将来最高性能的型号在满负荷的时候可能会达到这个值。
为什么要这么做呢？为了方便系统的设计以及厂商对部件物料的管理。
因为散热片/风扇/机箱厂商以及计算机系统厂商只要设计或采用一套可以帮助CPU散热达到65W的方案，就可以在系统中采用符合TDP 65W的所有CPU。
否则，TDP值分的过细，厂商在管理部件上就太纷杂了，要为每一个型号的CPU配备贴切的散热片/风扇/机箱，为20种型号的CPU准备20种物料？好像没有人愿意这么做。
最终用户关注的是CPU的实际功耗，但是实际功耗和实际的应用联系在一起，而且和CPU采用的节能技术密切相关，所以无法得到统一的结果，即使有也是典型应用的实际测试值。
另外，CPU不能单独工作，必须和系统在一起的，所以我个人的意见还是要看系统的整体功耗，它才对最终用户才有实际意义。
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❖机箱的热设计计算
➢密封机箱
W T=1.86(S s+4S t/3+2S b/3)Δt 1.25+4σεT m3ΔT
➢对通风机箱
W T=1.86(S s+4S t/3+2S b/3)Δt 1.25+4σεT m3ΔT+1000uAΔT
➢对强迫通风机箱
W T=1.86(S s+4S t/3+2S b/3)Δt 1.25+4σεT m3ΔT+ 1000Q fΔT
❖机箱的热设计计算
[案例]有一电子设备其总功耗为55W，其外形尺寸长、宽、高分别为400mm、300mm和250mm，外壳外表面的黑度为ε=0.96，外表面的温度为35℃，周围环境温度为25℃，设备内部的空气允许温度为40℃，设备的四个侧面及顶面参与散热，试进行自然冷却设计计算。
解: 密封机箱的最大散热量
Q T =1.86(S s+4S t/3+2S b/3)Δt1.25+4σεT m3F辐射Δt
＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96×(0.4×0.3+1.4×0.25)×3083×10 =16.87+29.9=46.78W<Q=55W 显然，密封机箱不能够满足散热要求，需开通风口。
通风机箱的通风面积计算
Q T=1.86(S s+4S t/3+2S b/3Δt1.25+4σεT m3F辐射Δt+1000uS inΔt
55＝1.86(1.4×0.25+0.4×0.3×4/3)×101.25+4×5.67×10-8×0.96××(0.4×0.3+1.4×0.25)×3083×10＋1000×0.1×S in×10
S in=82.2cm S out＝(1.5-2.0)S in=164.4 cm2
❖自然冷却时进风口面积的计算
在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗，以增加空气对流，进风口的面积大小按下式计算：
S in=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)
s-通风口面积的大小，cm2
Q-机柜内总的散热量，W
H-机柜的高度，cm，约模块高度的1.5-1.8倍，
Δt=t2-t1－内部空气t2与外部空气温度t1之差，℃出风口面积为进风口面积的1.5-2倍
❖强迫风冷出风口面积的计算
➢模块
有风扇端的通风面积: S fan=0.785(φin2－φhub2)
无风扇端的通风面积S=(1.1-1.5) S fan
➢系统
在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口，通风口的面积大小应为：
S＝(1.5-2.0)(N×S模块)
N---每层模块的总数
S模块---每一个模块的进风面积
❖通风面积计算的案例
[案例]铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却，每层模块的散热量为360W，模块的高度为7U，进出口温差按20℃计算，机柜实际宽度为680mm，试计算每层进出风口的面积？
H按2倍模块的高度计算，即H=2×7U=14U
进风口的面积按下式计算：
S in=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)
=360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2
进风口高度h
机柜的宽度按B=680mm计，则进风口的高度为：
H=S in/B=875/68=128.7mm
b 出风口面积S out
S out=(1.5-2.0)S in=2×875=1750 cm2
❖实际冷却风量的计算方法
q`=Q/(0.335△T)
q`---实际所需的风量，M3/h
Q----散热量，W
△T--空气的温升，℃，一般为10－15℃。
确定风扇的型号经验公式：
按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量：
q=(1.5-2)q` 按最大风量选择风扇型号。
❖实际冷却风量的计算方法
➢案例：10K UPS主功率管部分的实际总损耗为800W，空气温升按15℃考虑，请选择合适的风扇。
➢实际所须风量为：
➢q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h
➢按照2倍的裕量选择风扇的最大风量：
➢q=2q`=2×159.2=318.4m3/h
根据风压及风量选择风扇。
1CMM=35.3CFM。