2.2 電子熱設(shè)計常用概念解釋

在使用ANSYS Icepak過程中，經(jīng)常會碰到傳熱學(xué)、流體力學(xué)等相關(guān)的變量、概念，本節(jié)主要是對軟件涉及的相關(guān)概念進(jìn)行解釋。

面熱流密度：單位面積的熱流量（W/m2）。

體積熱流密度：單位體積的熱流量（W/m3）。

熱沉：熱量經(jīng)傳熱路徑到達(dá)的最終位置，通稱為熱沉，熱沉可能是大地、大氣、大體積的水或者宇宙，取決于電子設(shè)備所處的環(huán)境。

熱阻：熱量在傳熱路徑上的阻力，Rt=Δt/Q，其中，Δt為溫差（℃）, Q為熱耗（℃/W），表示傳遞1W熱量所引起的溫升大小。

溫升：指元器件溫度與環(huán)境溫度的差值。

熱耗：器件正常運行時產(chǎn)生的熱量，熱耗小于器件輸入的功耗。

導(dǎo)熱系數(shù)：表示物體導(dǎo)熱能力的物理參數(shù)，主要指單位時間內(nèi)，單位長度溫度降低1℃時，單位面積導(dǎo)熱傳遞的熱量。

穩(wěn)態(tài)：也稱為定常，即系統(tǒng)內(nèi)任何一點的壓力、速度、密度、溫度等變量均不隨時間變化，稱為穩(wěn)態(tài)；反之，如果這些變量隨著時間進(jìn)行變化，稱為瞬態(tài)，也稱為非定常。

溫度場：系統(tǒng)或模塊內(nèi)空間的溫度分布。

接觸熱阻：在實際電子散熱模擬中，由于兩個固體壁面的接觸只發(fā)生在某些點上（見圖2-4），其余狹小空間均為空氣，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，在此傳熱路徑上會產(chǎn)生比較大的熱阻。通常在兩個面上涂抹導(dǎo)熱硅脂或者填充導(dǎo)熱墊片來減小空氣導(dǎo)致的接觸熱阻，如圖2-5所示。

另外，接觸熱阻的大小與接觸壓力、海拔高度均有關(guān)。

雷諾數(shù)（Re）：雷諾數(shù)的大小反映了流體流動時的慣性力和黏滯力的相對大小，是說明流體流態(tài)的一個相似準(zhǔn)則，其計算公式如下：

式中，ρ為流體的密度（kg/m3）; u為流體的速度（m/s）; μ為流體的動力黏度（Pa·s）; D為特征尺寸（m）。

在ANSYS Icepak中，可自動計算相應(yīng)模型的Re，以幫助用戶判斷系統(tǒng)的流態(tài)。當(dāng)Re≤2200時，流動屬于層流狀態(tài)；當(dāng)Re＞10000時，流動屬于湍流狀態(tài)，而當(dāng)2200＜Re≤10000時，流動屬于層流向湍流過渡的過渡狀態(tài)。

層流：指流速低于臨界速度時形成的流動，流體分子的流線互相平行，互不交叉，流體層與層之間不發(fā)生傳質(zhì)的現(xiàn)象，此時層與層之間主要是靠傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱。

湍流：當(dāng)流速超過臨界流速時，流體分子質(zhì)點明顯出現(xiàn)不規(guī)則的、雜亂的運動過程。湍流狀態(tài)下除摩擦阻力外還存在由于質(zhì)點相互碰撞、混雜所造成的慣性阻力，因此湍流的阻力比層流阻力大得多。在固體壁面附近的流動邊界層內(nèi)，流態(tài)為層流，而在邊界層外，導(dǎo)熱、湍流同時存在，如圖2-6所示。在電子熱設(shè)計中，應(yīng)該盡可能讓熱耗大的器件周圍空氣呈現(xiàn)湍流狀態(tài)。

流阻：反映系統(tǒng)流過某一通道或某一系統(tǒng)時進(jìn)出口所產(chǎn)生的靜壓差（Pa）。

對流換熱系數(shù)：表示單位時間內(nèi)，單位面積溫差為1℃時流體與固體間所傳遞的熱量（W/m2·℃）。

角系數(shù)：F12表示表面1到表面2的角系數(shù)，即表面1向空間發(fā)射的熱輻射，落到表面2上的熱耗占表面1整體熱輻射的百分?jǐn)?shù)。

黑體：落在物體表面上的所有輻射均能全部吸收，這類物體稱為黑體。

發(fā)射率（黑度）：實際物體表面的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在0～1之間。另外，發(fā)射率在極高溫度下會發(fā)生變化；發(fā)射率的大小主要取決于器件表面的狀況，表面的粗糙度和氧化物會使發(fā)射率發(fā)生相當(dāng)大的變化。

灰體：將實際物體的發(fā)射率和吸收率看成與波長無關(guān)的物體，稱為灰體，即吸收率與波長無關(guān)。在熱射線范圍內(nèi)，絕大多數(shù)材料均可近似當(dāng)作灰體處理，其發(fā)射率等于吸收率。

格拉曉夫數(shù)（Gr）：反映流體所受浮升力與黏滯力的相對大小。

普朗特數(shù)（Pr）：反映流體物理性質(zhì)對換熱影響的相似準(zhǔn)則數(shù)。

努塞爾數(shù)（Nu）：反映流體在不同情況下的對流換熱強(qiáng)弱，是說明對流換熱強(qiáng)弱的準(zhǔn)則數(shù)。自然對流和強(qiáng)迫對流的Nu準(zhǔn)則方程不同，在2.3節(jié)中會有詳細(xì)說明。

結(jié)至空氣熱阻（Rja）：元器件的熱源節(jié)點（Junction）與環(huán)境空氣的熱阻。

結(jié)至殼熱阻（Rjc）：元器件的熱源節(jié)點至封裝外殼的熱阻。

結(jié)至板熱阻（Rjb）：元器件的熱源節(jié)點至PCB的熱阻。

風(fēng)機(jī)的特性曲線：指風(fēng)機(jī)在某一固定轉(zhuǎn)速下，靜壓隨風(fēng)量變化的關(guān)系曲線，當(dāng)風(fēng)機(jī)出口被堵住時，風(fēng)量為0，風(fēng)壓最高；當(dāng)風(fēng)機(jī)不與任何系統(tǒng)連接時，靜壓為0，風(fēng)量最大。

系統(tǒng)阻力曲線：指流體流過系統(tǒng)風(fēng)道時所產(chǎn)生的壓降隨空氣流量變化的關(guān)系曲線，與流量的平方成正比。

風(fēng)機(jī)的工作點：系統(tǒng)的阻力特性曲線與風(fēng)機(jī)特性曲線的交點就是風(fēng)機(jī)的工作點，表示此時風(fēng)機(jī)給系統(tǒng)提供的流量和壓力。

第1類熱邊界條件：固定邊界上的溫度值，即規(guī)定某邊界溫度保持恒定。

第2類熱邊界條件：規(guī)定了某邊界上的熱流密度值。

第3類熱邊界條件：規(guī)定某邊界上物體與周圍流體間的表面換熱系數(shù)及周圍流體的溫度。

系統(tǒng)阻力損失：沿程阻力損失和局部阻力損失之和。

沿程阻力損失：氣流相互運動所產(chǎn)生的阻力和氣流與系統(tǒng)的摩擦引起的阻力損失。

局部阻力損失：氣流方向發(fā)生變化或者管道截面積突變所引起的阻力損失。

不可壓縮流體：當(dāng)流體的密度為常數(shù)時，流體為不可壓縮流體。在電子散熱中，由于氣流速度較低，因此，流體均為不可壓縮流體。

熱環(huán)境：各類電子設(shè)備所處的場所即為熱環(huán)境。通常包括流體的種類、溫度、壓力及速度，周邊器件的表面溫度、外形及發(fā)射率，電子設(shè)備周邊所有的吸熱/導(dǎo)熱路徑。電子產(chǎn)品熱環(huán)境的可變性是熱設(shè)計中必須考慮的重要因素，即熱設(shè)計必須考慮電子產(chǎn)品所處的真實熱環(huán)境，如航天器上的電子設(shè)備在飛行過程中會遇到大氣層的氣動熱、大氣層外宇宙空間的熱輻射等；電子設(shè)備必須滿足不同環(huán)境溫度和壓力工況下的熱可靠性要求，除此之外，還需要考慮壓力密封、機(jī)械振動和電磁干擾等因素。在運載火箭整流罩內(nèi)裝載有航天器，外界熱環(huán)境與整流罩、航天器等的換熱過程如圖2-7所示，在進(jìn)行航天器熱設(shè)計時，必須考慮其所處空間的不同熱流環(huán)境，以保證航天器能夠正常工作。