艾默生热设计规范.docx

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艾默生热设计规范

艾默生热设计规范

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

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

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自然冷却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自然冷却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

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。

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。

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。

0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。

1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80~200mm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，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/T12993-91电子设备热性能评定

电子设备结构设计标准手册

TS-S0E019900

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

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。

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2439w/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

.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模块内部空气的平均温升应小于25℃。

.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：

●进、出风口尽量远离，以强化烟囱效果。

●出风口尽可能设计在系统的顶部。

●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。

●系统后部应留一定空间以利于气流顺畅流出。

●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。

●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。

风道1

●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。

●模块或插框自然冷却。

●机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常推荐大于200mm以上。

●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。

●除进、出风口外，其它部位须完全密封。

●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。

●模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。

●机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常推荐大于200mm以上。

●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。

●除进、出风口外，其它部位须完全密封。

风道2

风道3

●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。

●模块或插框为前后通风冷却。

●机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常推荐大于200mm以上。

●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。

●除进、出风口外，其它部位须完全密封。

●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。

●模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。

●机柜后面的风道要求有足够的宽度，通常推荐大于200mm以上。

●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。

●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算：

×10-5H×Δt）.............................…………….......

（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

Δt=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倍；

5.3.3户外设备（机柜）的热设计

5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。

此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。

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β和太阳光线通过大气层的厚度，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，所以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列举出了常用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常用户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率

SURFACE

Shortwave（solar）absorptance

Longwaveemittance

PolishedAluminum

Oil-BasedPaints:

White

LightGreen

LightGray

表2常用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）。

Qsun＝I0×A

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

户外柜的传热模型可以简化为如图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通过对流及辐射传给户外柜内表面，再通过夹层材料（如空气、海面、泡沫等）的导热传到户外柜外表面，最后通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，一部分通过对流及辐射传给周围大气，另一部分则通过夹层材料（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/Rrad][Tair-Tsky]…………..（3）

l/Ro=l/Rconv+l/Rrad

Q

――户外柜吸收的太阳辐射的热量，W，Q

=

solQsun

Qsun――太阳辐射的总热量，W

Ti――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，℃、W

Rconv――户外柜外表面的对流热阻，℃/W

Rrad――户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻，℃/W

Ri---户外柜外内表面的热阻，℃/W

sol---户外柜表面的太阳辐射吸收率

具体计算方法按照表3提供的小程序即可快速计算出冷却所需的净热量Qnet。

表3太阳辐射热负荷计算表

SunLoadCalculationfortheOutsideCabinet

Solarradiationparameters

Solarradiation

Solartensity（W/m2）:

1120

SunshineorShadowArea

Areasunshine（m2）:

Areashadow（m2）:

Coefficient（refertorighttable）

Absorbtanceoftheouttersurface（α）:

Emittanceoftheouttersurface（ξ）:

ConstantCoefficient

Stefan-BoltzmannCoefficient

InputParameters

DimensionsoftheCabinet

Width（mm）:

600

Depth（mm）:

600

Height（mm）:

1200

HeatTransferCoefficient

Outsidenaturalconvectioncoefficient（α1W/m2C）:

3

Insideforcedconvectioncoefficient（α2W/m2C）:

40

AmbientTemperature

Outsideambienttemperature（Toutside-ambient）:

40

Insideambienttemperature（Tinside-ambient）:

55

Cabinet'sWallProperty

Thicknessoftheoutsideplane（mm）:

3

Heatconductivityoftheoutsideplane（W/mC）:

180

Thicknessoftheinsulatedmaterial（mm）:

7

Heatconductivityoftheinsulatedmaterial（W/mC）:

OuputParameters

TemperatureoftheWall（Sunshine）

InsidetemperatureofthewallTinside-wall（C）:

OutsidetemeratureofthewallToutside-wall（C）:

TemperatureoftheWall（Shadow）

InsidetemperatureofthewallTinside-wall（C）:

1E-07

OutsidetemeratureofthewallToutside-wall（C）:

0.0

SunLoad

Absorbedheatfromthesun（W）:

Convectionheattransfertotheambient

Sunshineside（W）:

Shadowside（W）:

Rediationheattransfertotheambient

Sunshineside（W）:

Shadowside（W）:

Heattransferinthecabinetfromthesuninthesunshineside（W）:

TotalamountofHeatNetInreasefromthesuntothecabinetQnet（W）:

（22.36）

Note:

（1）Whenrunthisprogram,firstlyfillintheinputparametersandselectthesurfacecolorofthecabinet,thenwirtethedataofrighttabletotheC6andC7.Secondly,makethevalueofD30equaltotheC30bychangingthevalueofC27.Thirdly,makethevalueofD28equaltoD29,i.e0.0,bychangingthevalueofC29.Finally,enjoytheresultsattheline35orline36.

（2）Ifthisvalueislessthan0.0,thatmeanstheouttersurfaceofthecabinethassogoodheattransferperformancethatitcandecreasetheheatloadofheatexchanger.

5.3.4系统前门及防尘网对系统散热的影响

如果前门的进风口位置满足要求，并且进风面积足够，一般来讲，开门与关门有约2-5℃差异。

如果需在系统上加防尘网，即使采用粗效的防尘网，也将带来5-10℃的差异。

5.4模块级的热设计

模块损耗的计算方法

模块的损耗可由下式计算.

Pdiss=（1/η-1）Pout………………………………………（4）

Pdiss--模块的损耗,W

Pout--模块的输出功率,W

η--模块的效率

功率损耗Pdiss是由于发热器件的发热而引起的，这些发热器件包括开关管（MOSFET，IGBT），整流管（整流二极管及FRED），滤波电感，变压器以及开关管的驱动等。

.2机箱的热设计

.机箱的选材

如果需利用模块的机箱作为散热器，则模块机箱必须选用铝合金材料，且模块内壁不得进行拉丝处理，材料的厚度不得低于1.5mm。

如果不利用机箱进行散热，则模块机箱选材不受限制。

模块的散热量的计算

QT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/3）Δt+4σSεTm3ΔT.............（5）

S=Ss+St+Sb

如果计算出的散热量QT≤需求散热量Q，则必须选用通风机箱。

对通风机箱

QT=1.86（Ss+4St/3+2Sb/3）Δt+4σSεTm3Δt+1000uAΔT..……...（6）

QT-模块的耗散功率，W

Ss－机箱侧面内壁的有效面积，m2

St朹机箱顶部面积，m2

Sb-机箱的底面积，m2

Δt-风道进出口温差，℃

σ－斯－波尔兹曼常数，为×10-8W/m2.K

ε-辐射系数

Tm＝（T+Ta）/2

T-机箱的表面温度，K

Ta－环境温度，K

u-自然风速，一般取

A-通风面积，m2

机箱辐射换热的考虑

对于自然冷却的机箱，大部分需承担散热器的功能，其表面温升一般较高，约25-40℃，其表面的辐射换热量在整个机箱的散热量中占有较大的比重，有些甚至成为主要的散热途径，所以，在进行机箱的散热计算时，不能忽略辐射换热，可按计算式（5）-（6）中提供的方法计算辐射换热，也可按下式进行计算：

Q辐射＝4σSε（Ts4-Ta4）…………………….（7）

S－机箱的有效面积，m2

σ－斯－波尔兹曼常数，为×10-8W/m2.K

ε-辐射系数

Ts-机箱的表面温度，K

Ta－环境温度，K

必须牢记，电子设备由于温度不是太高，辐射波长相当长，处于不可见的红外区。

而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体，所以在考虑机箱的辐射换热时，必须同时考虑机箱表面辐射吸收的热量及机箱表面辐射散出的热量。

对于模块，基本处于室内，不涉及太阳辐射的问题，如果模块周围没有温度高于模块的物体，其机箱表面吸收的辐射热量可以不考虑，只需考虑机箱表面的散热量，所以机箱表面的实际辐射散热量对于机箱表面辐射散出的热量。

Q实际辐射＝Q辐射散热

如果模块周围有温度高于模块的物体，其机箱表面吸收的辐射热量必须考虑，机箱表面的实际散热量按（8）式计算：

Q实际辐射＝Q辐射散热－Q辐射吸热………………（8）

机箱的表面处理

从热设计角度，无论机箱还是散热器，不推荐表面进行任何处理，额外的表面处理对辐射散热贡献较小，却增加了产品成本。

单板级的热设计

.1选择功率器件时的热设计原则

在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）。

5.5.1.2在其它性能参数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件（根据供应商手册提供的数据进行筛选）。

5.5.1.3在其它性能参数相同的情况下，优先选用封装尺寸较大的功率器件（根据供应商手册提供的数据