艾默生电子设备强迫风冷热设计规范标准.docx

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艾默生电子设备强迫风冷热设计规范标准

电子设备的强迫风冷热设计规范

2004/05/01发布2004/05/01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

2004年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

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2004/05/01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强迫风冷条件下的热设计规范，以保证设备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强迫风冷电子设备设计与开发，主要应用于以下几个方面：

●机壳的选材

●结构设计与布局

●器件的选择

●散热器的设计与选用

●通风口的设计、风路设计

●热路设计

●选择风扇

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（λw/m.k）

表征材料热传导性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量。

3.4对流换热系数（αw/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，在单位时间通过单位面积的热量。

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流阻（Pa）

流阻反映了流体流过某一通道时所产生的压力差。

3.7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。

3.8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。

3.9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。

3.10定性温度

确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。

3.11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。

3.12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。

3.13努谢尔特数Nu（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。

3.14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。

3.15冷板的传热有效度E

衡量冷板散热器在传递热量方面接近于理想传热状况的程度，它定义为冷板散热器的实际传热量和理论传热量之比，为无因次量

3.16防尘网的阻力

防尘网对气流形成阻力。

防尘网积灰，阻力增加，当阻力增大到某一规定值时，过滤器报废。

新防尘网的阻力称“初阻力”；对应防尘网报废的阻力值称“终阻力”。

设计时，常需要一个有代表性的阻力值，以核算系统的设计风量，这一阻力值称“设计阻力，惯用的方法是取初阻力与终阻力的平均值。

3.17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80~200mm截面的温度平均值。

3.18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。

3.19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。

3.20冷板散热器

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。

4引用/参考标准或资料

下列标准包含的条文，通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/T12992-91电子设备强迫风冷热特性测试方法

GB/T12993-91电子设备热性能评定

电子设备结构设计标准手册

TS-S0E0199001电子设备的强迫风冷热设计规范

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热器。

5.1.4.3在规定的使用期限内，冷却系统（如风扇等）的故障率应比元件的故障率低。

5.1.5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及风速调节回路，以提高系统的可靠性。

5.1.6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。

5.1.7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。

5.1.8冷却系统要便于测试与维护。

5.1.9采用强迫风冷的条件：

在常压下，强迫风冷的应用范围为0.04-0.31w/cm2，小于0.04w/cm2采用自然冷却，大于0.31w/cm2须采用水冷或其它表面冷却。

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45℃.

5.2.1.2模块内部空气的平均温升应小于20℃。

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75-85℃

5.3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：

●尽量采用直通风道，避免气流的转弯。

在气流急剧转弯的地方，应采用导风板使气流逐渐转向，使压力损失达到最小。

●尽量避免骤然扩展和骤然收缩。

●进、出风口尽量远离，防止气流短路。

●在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔，防止气流短路。

图1系统布局要点示意图

●为避免上游的热量回流到下游，影响其散热，可以采用独立风道，分开散热。

●风道设计应保证系统各个区域散热均匀，避免在回流区和低速区产生热点。

●并联风道应根据各风道散热量的要求分配风量,避免风道阻力不合理布局。

●要避免风道的高低压区的短路。

●最大损耗的元器件应靠近出风口。

●保证进、出风口面积大于风扇的通风面积。

●保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域。

●避免在两个热点之间用一个小风扇来冷却。

●温度敏感的元器件应尽量靠近风扇入口。

●尽可能采用吹风以防止灰尘聚积。

●尽可能采用空隙率较大的防尘网以减小阻力。

●高热器件的位置要求

如果不能消除SWIRL的影响，即无法保证流出风扇框的流场是近似均匀的流场，则必须避免布置高热器件在流场的旋涡区域，因为该区域风速最小。

5.3.1.2一些典型的风道结构

风道1

风道2

最简单的鼓风风道，由机柜底部进风，可由机柜顶部出风。

如果要求防滴落，可在顶部加盖板，侧出风，或顶部安装金属丝网。

靠近风扇的区域换热效果最佳，由于风道必然存在漏风，而且离风扇较远处流场分布已较均匀，所以上区域的风速相对较低，换热比较弱，而且下面区域的热量将带入上插框。

由于机柜内为正压，灰尘不会从缝隙进入机柜。

最简单的抽风风道，由机柜底部进风。

流场分布均匀，各区域换热强度相差不大。

但如果风道中有较大的缝隙，，则会形成气流部分短路，下面区域的通风量将大大降低。

下面区域的热量依然被带入上面的区域。

机柜内为负压，灰尘将通过缝隙进入机柜。

风道3

风道4

风扇框串联风道，适用于机柜风阻较大的情况。

靠近风扇出风口的部分换热最强烈，但要注意风扇的HUB附近将形成回流死区。

中间插框由于上下风扇串联，气流不能充分扩散，靠近拉手条和母板的部分风速会比较低，宜将发热元器件与热敏元器件布于单板的中间。

如果单板较深，根据需要在深度方向上可采用两排风扇。

风扇也可分别置于机柜的顶部和底部，但噪音将比置于插框间大。

插框独立抽风散热风道，适用于各框散热量都比较大的情况，各插框散热互不干扰。

机柜由开孔前门进风，顶插框可以上出风，下面的插框后出风。

采用轴流风扇时，出风直接受阻挡，风阻较大。

如果机柜不宜做得较深，必须在后门开孔，并且机柜离墙有足够的距离；如果机柜可以做得较深，可以在后门与母板间流出足够宽度的空间作为风道，将风从机柜顶部排出，由于风道多次垂直转弯，将形成较大的风阻，宜在后风道安装导风装置或采用离心风扇。

注意，由于进风为水平方向，单板的右上区（拉手条端）将形成回流区，此处不宜布置热流量较高的元件和热敏元件。

风道5

风道6

自然对流独立散热风道，与风道4类似，无风扇，机柜出风口在后门的顶部。

插框进出风口的大小根据发热量和插框高度而定。

机柜后面的风道要求有足够的宽度，根据具体设计而定。

如果机柜中有的插框需要风扇冷却，有的插框自然散热即可（如发热量不大的电源模块框），则采用独立风道的方式，结合风道4与风道5，均可满足要求。

这样可以减少风扇，降低噪音与成本。

为LUCENT宽带传输的机柜风道，与风道4、5类似，插框独立散热。

两个子框采用鼓风方式，最下面的插框自然散热。

风扇斜放的角度尽量