任 鹏

（长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安 717502)

热设计理论基础

任 鹏

（长庆油田分公司第一采油厂，陕西延安 717502)

热传导及热量的散失的基本理论是任何设计者进行热分析学的基本知识。设计者只要掌握了热散失过程的基本知识、计算方法及实验手段、热设计的基本设计准则和设计步骤，以及普遍的热控制方法，就可以解决任何设备发热部分的散热问题。

散热设计；理论基础；电子设备

1 热传递方式

热力学第二定律指出：热量总是自发的、不可逆转的，从高温处传向低温处，即：只要有温差存在，热量就会自发地从高温物体传向低温物体，形成热交换。热交换有三种模式：传导、对流、辐射。它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现。

2 对流换热控制公式方程

2.1 质量守恒方程

流体运动中的质量守恒是指流体流过一定空间流体的总质量保持不变，任何流动问题都必须满足质量守恒定律。控制体的连续方程为：

式中，p为流动物体质量密度，V为流动物体质量体积，C.V.是空间中流体的控制体，以控制面C.S.为计算运动边界。

2.2 动量守恒方程

动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它既适用于宏观物体，也适用于微观粒子；既适用于低速运动物体，也适用于高速运动物体；它既适用于保守系统，也适用于非保守系统。动量守恒定律是任何不受外力时运动系统包括流动系统都必须遵守的基本定律。此方程可解释为：作用某控制体内流体外力的合力，等于单位时间内流出控制体的动量减去单位时间内进入控制体的动量加单位时间内控制体中的流体动量的累积量。对于控制体的动量方程为：

式中，p为流动物体密度，V为流动物体体积，C.V.是空间中流体的控制体，以控制面C.S.为运动边界。

3 各发热器件散热设计方法及程序

各种设备发热部位的散热及传导设计是设备可靠性设计的一项重要方面。电子设备只要通电就有发热，是热源，其产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发热功率）是热设计的基础，可以采用实验和理论计算来确定。一般都增加安全系数，保守取值，适当取高些。热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温度和最大热耗散的情况下设计。总的来说，电子设备的散热及传导设计应必须遵守以下几个方面及步骤：

1）确定发热器件的散热面积、散热器或周围空气介质的环境温度极限范围；

2）确定热量对流密度和消散方式；

3）对少量关键发热元器件进行应力分析，确定其最高允许温度和功耗，并对其温度关系下的失效率加以分析；

4）按照发热器件及整个设备的安装方式进行热密度的计算；

5）由器件内热阻确定其表面最高工作温度；

6）计算器件到最终散热面之间的总体热阻碍值；

7）根据热量产生量度等因素对热阻碍进行计算与分配，并对此加以评价，确定热传导方式和冷却方式。

4 电子设备冷却散热方式

4.1 放置自然冷却

放置自然冷却是散热、对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合，优点是可靠性高，成本低。放置自然冷却受外界环境影响较大，在传导路径中容易有阻碍热传导的障碍物存在，增加热传导阻力从而使空气换热的传导速度降低以及空气的流动剂量降低。因此，在设备以外环境的干扰的情况下，此冷却方式是一种比较简洁、高效、性价比高的散热方式。它不需要风机或传输泵等的冷却剂传送设备，避免了因设备部件的磨损或故障影响系统可靠性的弊端，因此，应优先考虑选用自然冷却方法。

4.2 强迫通风冷却

在强迫风冷在中，大功率的密集集成电子设备以及发热量较多无法靠自然风进行冷却的设备中应用较多，因为它具有比自然冷却中空气更高的对流速度及更大的对流量，与其他几种热传导方式的强迫冷却方式相比较，此冷却方式具有结构简单、成本低、维护简便等优点。

4.3 液体冷却液冷却

4.3.1 直接液体冷却液冷却

我们所说的直接液体冷却，就是将设备电子元器件的发热部分与冷却液直接接触，进行热量交换，发热的元器件将产生的热量传到给冷却液，使自身热量降低，冷却液温度升高，再由冷却液将多余的热量散失出去。这样的冷却方式适用与热密度较高或电子元器件集成密度较高的设备中，该冷却方式需要对发热元器件及冷却液的特性较高，冷却液必须满足在电子设备的工作温度下具有沸点高、不分解、不挥发等特性，还须满足冷却液不影响设备的功能。

4.3.2 间接液体冷却液冷却

间接液体冷却液冷却俗称间接液冷，指冷却液不与发热的电子元器件直接接触，而是通过发热元器件的外部设备基板等中间模块与元器件接触将产热的热传导给间接冷却液，冷却液升温后再通过冷却液表面散失达到间接冷却的目的。间接液体冷却系统的设计，主要需要发热源与中间介质之间保持有良好的导热路径，尽可能降低热接触阻值。此方法冷却

液不与电子元器件直接接触可以减少对电子设备的污染，且对冷却液的要求没有直接冷却液冷却高，且维护维修简单。

5 结束语

主要介绍了电子设备热设计的基础知识，而要进行热分析或是想成为一名合格的电子散热设计师，这些基础知识都是热设计者要熟悉通晓的。只有设计者掌握了热传导的基本知识，就能够按照设备工作方式及热量的产生量，设计一种或几种适合工业现场的热传导冷却方式，满足工业现场设备热传导需要。

[1] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

Theoretical Basis of Thermal Design

Ren Peng

The basic theory of heat transfer and heat loss is the basic knowledge of any designer’s thermal analysis.As long as the designer has mastered the basic knowledge of the heat dissipation process，the calculation method and the experimental means，the basic design criteria and design steps of the thermal design，and the general thermal control method，the heat dissipation problem of any heating part can be solved.

thermal design；theoretical basis；electronic equipment

TU323.4

B

1003–6490（2017）11–0220–02

2017–09–09

任鹏（1988—），男，陕西西安人，助理工程师，主要从事设备管理方面的工作。