艾默生热设计规范模板.doc
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1、艾默生热设计规范1342020年4月19日文档仅供参考共两部分:1. 电子设备的自然冷却热设计规范2. 电子设备的强迫风冷热设计规范电子设备的自然冷却热设计规范 /05/01 发布 /05/01 实施 艾默生网络能源有限公司修订信息表版本修订人修订时间修订内容新拟制李泉明1999年01月01日V2.0李泉明 05月01日更改模板,增加部分新内容,重新在结构室规范下归档目录目录3前言51目的62 适用范围63 关键术语64引用/参考标准或资料75 规范内容75.1 遵循的原则75.2 产品热设计要求85.2.1产品的热设计指标85.2.2 元器件的热设计指标85.3 系统的热设计95.3.1 常
2、见系统的风道结构95.3.2 系统通风面积的计算105.3.3 户外设备(机柜)的热设计115.3.3.1 太阳辐射对户外设备(系统)的影响115.3.3.2 户外柜的传热计算135.3.4 系统前门及防尘网对系统散热的影响155.4 模块级的热设计155.4.1 模块损耗的计算方法155.4.2 机箱的热设计155.4.2.1 机箱的选材155.4.2.2 模块的散热量的计算155.4.2.3 机箱辐射换热的考虑165.4.2.4 机箱的表面处理175.5 单板级的热设计175.5.1 选择功率器件时的热设计原则175.5.2 元器件布局的热设计原则175.5.3 元器件的安装185.5.4
3、 导热介质的选取原则195.5.5 PCB板的热设计原则205.5.6 安装PCB板的热设计原则225.5.7 元器件结温的计算225.6 散热器的选择与设计235.6.1散热器需采用的自然冷却方式的判别235.6.2 自然冷却散热器的设计要点235.6.3 自然冷却散热器的辐射换热考虑245.6.4 海拔高度对散热器的设计要求245.6.5 散热器散热量计算的经验公式255.6.6强化自然冷却散热效果的措施256 产品的热测试256.1 进行产品热测试的目的256.1.1热设计方案优化266.1.2热设计验证266.2热测试的种类及所用的仪器、设备266.2.1温度测试267 附录277.1
4、 元器件的功耗计算方法277.2 散热器的设计计算方法297.3自然冷却产品热设计检查模板30前言 本规范由艾默生网络能源有限公司研发部发布实施,适用于本公司的产品设计开发及相关活动。本规范替代以前公司的同名规范,老版本的同名规范一律废除。本规范更换了新的模板,并根据公司产品开发需求的变化及已积累的设计经验增加了新的内容。本规范由我司所有的产品开发部门遵照执行。本规范于 /05/01 批准发布;本规范拟制部门: 结构设计中心 ;本规范拟制人: 李泉明 ;审核人: 张士杰 ;本规范标准化审查人:数据管理中心;本规范批准人:研发管理办;1目的建立一个电子设备在自然冷却条件下的热设计规范,以保证设备
5、内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内,从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。2 适用范围本热设计规范适用于自然冷却电子设备设计与开发,主要应用于以下几个方面:l 机壳的选材l 结构设计与布局l 器件的选择l 散热器的设计与选用l 通风口的设计、风路设计l 热路设计3 关键术语3.1 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3.2 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。3.3导热系数( w/m.k)表征材料热传导性能
6、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。3.4 对流换热系数( w/m2.k)对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱,表明了当流体与壁面间的温差为1时,在单位时间经过单位面积的热量。3.5 热阻(/w)反映介质或介质间传热能力的大小,表明了1W热量所引起的温升大小。 3.6 雷诺数(Re)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。3.7 普朗特数(Pr)普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。3.8 格拉晓夫数(Gr)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。
7、3.9 定性温度确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。3.10 肋片的效率表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热量之比。3.11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。3.12 外部环境温度的定义自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值;强迫风冷(使用风扇)时指距离空气入口80200mm截面的温度平均值。3.13 机箱表面的温度定义机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处的温度。 3.14 设备风道的进、出口风温的定义冷却空气入口、出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直的截面内各点温度的平均值。3.15 冷
8、板散热器指采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片工艺成型的齿间距较密、宽高比较大的散热器。3.16 太阳辐射强度 太阳辐射强度指1m2黑体表面在太阳照射下所获得的热量值,单位为W/m2.4引用/参考标准或资料下列标准包含的条文,经过在本标准中引用而构成本标准的条文。在标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件GJB/Z27-92 国家军用标准汇编,电子设备可靠性设计手册 GB/T 12993-91 电子设备热性能评定电子设备结构设计标准
9、手册TS-S0E0199002电子设备的自然冷却热设计规范V1.0分散式散热产品的热设计规范5 规范内容5.1 遵循的原则5.1.1进行产品的热设计应与电气设计、结构设计同时进行,平衡热设计、结构设计、电气设计各种需求。5.1.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准。5.1.3 热设计应满足产品的可靠性要求,以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作,并保证达到设定的MTBF指标。5.1.4 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。5.1.4.1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。5.1.4.2 根据元器件的损耗大小及温升要求确定是否加装散
10、热器。5.1.4.3 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。5.1.5 在进行热设计时,应考虑相应的设计冗余,以避免在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。5.1.6 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。5.1.7 采用自然冷却的条件:常压下单位面积的最大功耗:小于0.024-0.039w/cm2,上限适应于通风条件较恶劣的情况,下限适应于通风条件较好的场合。5.2 产品热设计要求5.2.1产品的热设计指标5.2.1.1 散热器的表面温度最高处的温升应小于50. 5.2.1.2 模
11、块内部空气的平均温升应小于25。5.2.2 元器件的热设计指标元器件的热设计指标应符合TS-S0A0204001器件应力降额规范,具体指标如下:5.2.2.1 功率器件的工作结温应小于最大结温的(0.5-0.8)倍 对额定结温为175的功率器件, 工作结温小于140. 对额定结温为150的功率器件, 工作结温小于120. 对额定结温为125的功率器件, 工作结温小于100. 5.2.2.2 碳膜电阻120 金属膜电阻100压制线绕电阻 150 涂剥线绕电阻 225 5.2.2.3 变压器、扼流圈表面温度 A级 90 B级 110 F级 150 H级 180 5.2.2.4 电容器的表面温度 纸
12、质电容器 75-85 电解电容器 65-80 薄膜电容器 75-85 云母电容器 75-85 陶瓷电容器 75-855.3 系统的热设计5.3.1 常见系统的风道结构5.3.1.1系统风道设计的一些基本原则:l 进、出风口尽量远离,以强化烟囱效果。l 出风口尽可能设计在系统的顶部。l 在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔,以利于形成有效的烟囱。l 系统后部应留一定空间以利于气流顺畅流出。l 为了避免下部热源对于上层热源的影响,可采用隔板形成独立风道。l 为了避免热空气流入配电单元而影响其可靠性,可把气流风道隔离,形成完整、独立的风道。 5.3.1.2一些典型的风道结构风道1l
13、系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模块或插框自然冷却。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,一般推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。l 系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,一般推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。 风道2风道3l 系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口
14、在后门的顶部或顶部。l 模块或插框为前后通风冷却。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,一般推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。l 系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,一般推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。 图1 典型系统风道结构示意图5.3.2 系统通风面积的计算系统进风口的面积大小按下式计
15、算: S=Q/(7.410-5Ht1.5) .(1) 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 t=t2-t1-内部空气温度t2与外部空气温度 t1 之差 , 出风口的面积大小应为进风口面积大小的1.5-2倍;5.3.3 户外设备(机柜)的热设计5.3.3.1 太阳辐射对户外设备(系统)的影响5.3.3.1.1 太阳辐射强度及其影响因素户外柜由于处于室外,太阳辐射将是其热设计必须考虑的重要一环。到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响,大气层越厚,对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重,到达地面的太阳辐射就越少。另外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也
16、有影响。到达地面的太阳辐射强度的大小,主要取决于地球对太阳的相对运动,也就是取决于被照射地点与太阳射线形成的高度角和太阳光线经过大气层的厚度,显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。到达地面的太阳辐射有两部分:直接辐射 太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的,称为太阳直接辐射。太阳直接辐射的强弱和许多因子有关,其中,最主要的是太阳高度角(直射或斜射),其次为大气透明度,或者说,太阳辐射(直射时)经过大气的路程愈短,被大气削弱的愈少,到达地面的太阳辐射愈多;反之,愈少。一天当中,日出、日没时太阳高度最小,直接辐射最弱;中午太阳高度角最大,直接辐射最强。在一
17、年当中,直接辐射在夏季最强,冬季最弱。以纬度而言,低纬度地区一年各季太阳高度角都很大,地表面得到的直接辐射就比中、高纬度地区大得多。散射辐射 太阳高度角增大时,到达地面层的直接辐射增强,散射辐射也就相应地增强;相反,太阳高度角减小时,散射辐射也弱。太阳经过大气路程长,参与散射作用的质点增多,散射辐射增强;相反,减弱。云也能强烈地增大散射辐射。阴天的散射辐射比晴天强。一日内正午前后散射辐射最强,一年内夏季最强。总辐射 同时到达地面(水平面)的太阳直接辐射和散射辐射之和,称为总辐射。5.3.3.1.2 户外柜表面所吸收的太阳辐射热当太阳射线照射到户外柜表面时,一部分被吸收,一部分被反射,二者的比例
18、取决于表面材料的种类、粗糙度和颜色,表面愈粗糙、颜色愈深,吸收的太阳辐射热愈多。同一材料对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的,黑色表面对各种波长的辐射几乎全部吸收,而白色表面对不同波长的吸收率不同,对于可见光几乎90%都反射回去,因此户外柜表面最好为白色和相近色,以减少进入户外柜内部的太阳辐射热。表1列举出了常见户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率。表2列举出了建筑常材料及表面颜色的吸收率和发射率。表1常见户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率SURFACEShortwave (solar) absorptanceLongwave emittancePolished Aluminum0.030
19、.05Oil-Based Paints:White0.20.9Light Green0.50.9Light Gray0.750.9表2 常见建筑材料及表面颜色的吸收率和发射率户外柜表面所吸收的太阳辐射热按式(2)进行计算。Q = solQsun(2) 其中:Q户外柜表面所吸收的总太阳辐射热,W sol户外柜表面的太阳短波吸收率Qsun照射到户外柜表面的总太阳辐射热,W,包括太阳直射、散射到户外柜表面以及周围其它表面反射的太阳辐射热(开放式空间除外)。QsunI0A I0太阳辐射强度,W/m2,从当地的气象资料中查取。 A户外柜被太阳照射到的表面积,m2 5.3.3.2 户外柜的传热计算 户外柜
20、的传热模型能够简化为如图2所示的热阻网络。图2 户外柜传热简化模型其传热路径包括两个部分:路径一:户外柜内部生成的热量经过对流及辐射传给户外柜内表面,再经过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到户外柜外表面,最后经过对流及辐射传给周围的大气。路径二:户外柜外表面吸收了太阳辐射的热量,一部分经过对流及辐射传给周围大气,另一部分则经过夹层材料(如空气、海面、泡沫等)的导热传到户外柜内。要保持户外柜内的温度Ti恒定,进入户外柜的热量加上内部生成的热量应等于户外柜表面的散热量。如果不能够平衡,则需要借助热交换器或空调来强制维持热量的平衡,保证内部温度达到设计要求并保持恒定。户外柜传热计算的目的就是
21、要计算出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量Qnet。依据热网络图2给出的传热方程式为:Ti - Tair = RiQi + RoQi + RoQ - Ro/RradTair - Tsky.(3)l/Ro = l/Rconv + l/RradQ户外柜吸收的太阳辐射的热量,W,Q = solQsunQsun太阳辐射的总热量,WTi户外柜内部允许的环境温度,Tair户外柜周围的外部环境温度,Tsky户外柜远处的环境温度, Ro户外柜外表面的总热阻,、WRconv户外柜外表面的对流热阻,/WRrad户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻,/WRi-户外柜外内表面的热阻,/Wsol-户外柜
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