艾默生热设计规范.doc

1、规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 1 页 共 82 页共两部分：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规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 2 页 共 82 页修订信息表版本 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

2、归档规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 3 页 共 82 页目录目录 .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

3、.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 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.

4、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 .25规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 4 页 共 82 页6 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

5、种类及所用的仪器、设备 .266.2.1 温度测试 .267 附录 .277.1 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规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 5 页 共 82 页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 2004/05/0

6、1 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；规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 6 页 共 82 页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

7、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。3.3 导热系数( w/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（ w/m 2.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

8、 1W 热量所引起的温升大小。 3.6 雷诺数（R e）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(P r)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(G r)规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 7 页 共 82 页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。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

9、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

10、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/T 12993-91 电子设备热性能评定电子设备结构设计标准手册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规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：

11、秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 8 页 共 82 页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

12、.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 模块内

13、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规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 9 页 共 82 页涂剥线绕电阻 225 5.2.2.

14、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 75-855.3 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： 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

15、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1规范编码：结构设计规范版本：V2.0 密级：秘密艾默生网络能源研发部 执笔人：李泉明 页码：第 10 页 共 82 页 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

16、，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