電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)

前言

　　本書(shū)第1版自2002年出版至今不過(guò)6年，但這期間我國(guó)航空航天事業(yè)取得了巨大進(jìn)步和發(fā)展，與航空航天技術(shù)密切相關(guān)的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)，也受到越來(lái)越廣泛和前所未有的高度重視。有航空航天的應(yīng)用需求作為強(qiáng)大動(dòng)力，借助材料、電子、熱科學(xué)等學(xué)科迅猛發(fā)展所獲得的豐碩成果，許多新理論、新技術(shù)、新材料和新工藝不斷被應(yīng)用到電子設(shè)備熱控制領(lǐng)域，極大地推動(dòng)了電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)的進(jìn)步。筆者在這6年的教學(xué)和科研工作中，對(duì)電子設(shè)備熱控制技術(shù)日新月異的發(fā)展深有感觸，也因此萌發(fā)對(duì)本書(shū)第1版進(jìn)行修改，以適應(yīng)科技發(fā)展新形勢(shì)要求的想法?！　〈舜卫脟?guó)防科技工業(yè)局（原國(guó)防科工委）征集出版“十一五”國(guó)防特色學(xué)科專(zhuān)業(yè)教材的機(jī)會(huì)，根據(jù)“精練內(nèi)容，反映學(xué)科前沿科學(xué)技術(shù)成果，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力”的原則對(duì)原書(shū)進(jìn)行修改再版。第2版增添了“電子元器件與組件的熱設(shè)計(jì)”一章，在“電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)的新進(jìn)展”一章中，增添了“納米流體強(qiáng)化傳熱研究”、“多功能機(jī)／電／熱復(fù)合結(jié)構(gòu)熱控制概念的研究”、“幾項(xiàng)有應(yīng)用前景的微小衛(wèi)星熱控新技術(shù)”，以及“射流冷卻技術(shù)研究”等內(nèi)容。此外，第2版刪掉了第1版　　第五章（電子元件的安裝和冷卻技術(shù)），對(duì)第1版第一、二、三、六、八、九、十章的內(nèi)容進(jìn)行了精練和更新。第2版還在每章后有針對(duì)性地列出了思考題和習(xí)題，在附錄中列入了“電子設(shè)備熱性能實(shí)驗(yàn)大綱與指導(dǎo)書(shū)”的內(nèi)容，這些思考題、習(xí)題以及實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容如果運(yùn)用得當(dāng)，對(duì)學(xué)生掌握和領(lǐng)會(huì)本書(shū)核心內(nèi)容，強(qiáng)化創(chuàng)新思維能力和培養(yǎng)工程素質(zhì)將起到積極作用?？傊?版保留了第1版的特色和基本內(nèi)容，但在理論嚴(yán)謹(jǐn)、結(jié)構(gòu)合理、文字精練以及先進(jìn)性、實(shí)用性和學(xué)術(shù)性等方面均有所提高。　　全書(shū)由余建祖主持修訂，高紅霞講師和謝永奇博士后參加了本書(shū)的修訂工作，高紅霞還撰寫(xiě)了附錄的有關(guān)內(nèi)容。席有民博士、李明博士、張濤博士、遲澎濤博士、楊晟博士，以及袁建新、曹學(xué)偉、李林蔚、趙然、周懿、范俊磊和敖鐵強(qiáng)等研究生為本書(shū)的再版做了大量工作，在此謹(jǐn)致衷心謝意?！　　半娮釉O(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)”是一門(mén)綜合多學(xué)科的新技術(shù)，其領(lǐng)域?qū)拸V，理論和應(yīng)用研究方興未艾。此次再版雖進(jìn)行了一些修改和更新，但限于作者水平，本書(shū)的缺點(diǎn)和錯(cuò)誤仍在所難免，熱忱期望讀者予以批評(píng)指正。　　余建祖　　2008年10月

內(nèi)容概要

“電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)”是為解決電子元器件及設(shè)備的溫升控制問(wèn)題而發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科。    本書(shū)系統(tǒng)介紹電子元器件、組件及整機(jī)設(shè)備或系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)、熱分析技術(shù)及其相關(guān)理論，其中包括電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)概述，電子設(shè)備用肋片式散熱器及冷板設(shè)計(jì)，機(jī)箱和電路板的傳導(dǎo)冷卻及風(fēng)冷設(shè)計(jì)，微電子器件與組件的熱設(shè)計(jì)，電子設(shè)備的輻射冷卻和相變冷卻，熱管散熱及熱電制冷在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，電子設(shè)備的瞬態(tài)冷卻，電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)的新進(jìn)展等。對(duì)上述各種熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)所涉及的傳熱學(xué)和流體力學(xué)的基礎(chǔ)理論，本書(shū)都用相當(dāng)篇幅簡(jiǎn)明、扼要地進(jìn)行了介紹。書(shū)中給出大量公式、曲線(xiàn)、圖表和具體的技術(shù)參數(shù)，各部分內(nèi)容均配有實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算例題，供工程應(yīng)用時(shí)參考。    本書(shū)可作為高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生教材，亦可供從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可靠性技術(shù)研究的科研工作者、工程技術(shù)人員以及從事飛行器與其他運(yùn)載工具的熱控制、環(huán)境控制和低溫制冷工程的專(zhuān)業(yè)人員閱讀。

書(shū)籍目錄

第1章 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)概述 　1.1 引言 　1.2 熱源與熱阻 　1.3 傳熱的基本方式及有關(guān)定律 　　1.3.1 導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo)) 　　1.3.2 對(duì)流換熱 　　1.3.3 輻射換熱 　1.4 熱控制方法的選擇 　1.5 穩(wěn)態(tài)傳熱 　1.6 瞬態(tài)傳熱 　1.7 耗散功率的規(guī)定 　1.8 電子器件的理論耗散功率 　　1.8.1 理論耗散功率 　　1.8.2 有源器件的耗散熱 　　1.8.3 無(wú)源器件的耗散熱 　思考題與習(xí)題 第2章 電子設(shè)備用肋片式散熱器 　2.1 概述 　2.2 肋片散熱器的傳熱性能 　2.3 針肋散熱器及其他斷面肋 　2.4 肋片參數(shù)的優(yōu)化 　2.5 散熱器在工程應(yīng)用中的若干問(wèn)題 　　2.5.1 散熱器的熱阻 　　2.5.2 散熱器與元器件的合理匹配 　思考題與習(xí)題 第3章 電子設(shè)備用冷板設(shè)計(jì) 　3.1 概述 　3.2 冷板的結(jié)構(gòu)類(lèi)型 　　3.2.1 冷板常用肋片形式 　　3.2.2 蓋板、底板及隔板 　　3.2.3 封條 　3.3 冷板傳熱表面的幾何特性 　3.4 無(wú)相變工況下冷板傳熱表面的傳熱和阻力特性 　　3.4.1 傳熱和阻力特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 　　3.4.2 擴(kuò)展表面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)系式 　　3.4.3 強(qiáng)迫液體流動(dòng)的基本方程 　3.5 冷板的壓力損失 　3.6 冷板傳熱計(jì)算中的基本參數(shù)和方程 　3.7 冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算 　　3.7.1 冷板的校核性計(jì)算 　　3.7.2 冷板的設(shè)計(jì)性計(jì)算 　3.8 冷板式強(qiáng)迫液體冷卻系統(tǒng) 　　3.8.1 液體冷卻系統(tǒng)用泵 　　3.8.2 存儲(chǔ)和膨脹箱 　　3.8.3 液體冷卻劑 　思考題與習(xí)題 第4章 機(jī)箱和電路板的傳導(dǎo)冷卻 　4.1 集中熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo) 　4.2 均勻分布熱源的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo) 　4.3 鋁質(zhì)散熱芯電路板 　4.4 非均勻截面壁的機(jī)箱 　4.5 二維熱阻網(wǎng)絡(luò) 　4.6 空氣接觸面的熱傳導(dǎo) 　4.7 接觸面在高空的熱傳導(dǎo) 　4.8 電路板邊緣導(dǎo)軌 　思考題與習(xí)題 第5章 機(jī)箱和電路板的風(fēng)冷設(shè)計(jì) 　5.1 引言 　5.2 印制電路板機(jī)箱的自然對(duì)流冷卻 　　5.2.1 印制電路板之間的合理間距 　　5.2.2 自然對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算式 　　5.2.3 自然對(duì)流熱阻網(wǎng)絡(luò) 　　5.2.4 自然冷卻開(kāi)式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì) 　　5.2.5 自然冷卻閉武機(jī)箱的熱設(shè)計(jì) 　　5.2.6 閉合空間內(nèi)空氣的等效自然對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 　　5.2.7 高空對(duì)自然對(duì)流散熱的影響 　5.3 印制電路板機(jī)箱的強(qiáng)迫通風(fēng)設(shè)計(jì) 　　5.3.1 風(fēng)機(jī)的選擇 　　5.3.2 風(fēng)道設(shè)計(jì) 　　5.3.3 高空條件對(duì)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)性能的影響 　　5.3.4 強(qiáng)迫對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 　思考題與習(xí)題 第6章 電子元器件與組件的熱設(shè)計(jì) 第7章 電子設(shè)備的輻射冷卻 第8章 電子設(shè)備的相變冷卻 第9章 熱管散熱器的設(shè)計(jì) 第10章 熱電制冷器 第11章 電子設(shè)備的瞬態(tài)冷卻 第12章 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)的新進(jìn)展 附錄 電子設(shè)備熱性能實(shí)驗(yàn)大綱與指導(dǎo)書(shū) 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)概述　　1.1 引言　　電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)指對(duì)電子設(shè)備的耗熱元件以及整機(jī)或系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正常、可靠地工作?！　〗鼛资陙?lái)，電子設(shè)備在軍用和民用方面的應(yīng)用大大增加，不斷的實(shí)踐使人們逐漸認(rèn)識(shí)到需要對(duì)電子元件進(jìn)行熱封裝和熱設(shè)計(jì)，同時(shí)也促進(jìn)了熱控制技術(shù)的發(fā)展。例如，為了改善真空管的冷卻，進(jìn)一步發(fā)展了加強(qiáng)表面對(duì)流換熱技術(shù)和進(jìn)行大功率行波管冷卻劑（液體）通道的研制；為了安裝小型電子元件并使其良好地散熱，對(duì)各種冷板的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究。晶體管的采用大大減少了總的功耗；但是晶體管結(jié)溫的穩(wěn)定性要求，使得對(duì)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要有新的熱約束條件。因?yàn)榻Y(jié)溫與晶體管的效率和可靠性成反比，而在衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、潛艇等特殊環(huán)境中工作的電子設(shè)備，對(duì)其密集程度和可靠性方面的要求比地面設(shè)備更為嚴(yán)格，因而也更需要解決好散熱問(wèn)題。為此研究和發(fā)展了諸如浸沒(méi)冷卻、強(qiáng)化沸騰傳熱、熱管及熱電制冷器件等更新的技術(shù)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，以及對(duì)減少電子設(shè)備維護(hù)時(shí)間及費(fèi)用所提出的更高要求，又一次推動(dòng)了熱控制技術(shù)的發(fā)展。各種新型冷卻劑不斷涌現(xiàn)，相變傳熱技術(shù)得到更廣泛使用，研究和發(fā)展了毛細(xì)抽吸兩相流體回路(CPL)/回路熱管(LPH)、多功能機(jī)／電／熱復(fù)合結(jié)構(gòu)、智能型熱控涂層、高導(dǎo)熱復(fù)合材料、熱開(kāi)關(guān)及自主適應(yīng)的電加熱控溫等一系列帶有強(qiáng)烈航空航天產(chǎn)業(yè)特色的熱控技術(shù)。微細(xì)化和高密度化是微電子器件的發(fā)展方向，雖然器件管芯尺寸的縮小，使得芯片上每個(gè)單管的功耗減少；但是，由于集成度的提高和封裝管殼的小型化，整個(gè)芯片的功率密度卻比以前高得多。研究表明，當(dāng)微電子器件的功率密度超過(guò)20 W/cm2時(shí)，常規(guī)的熱控制方法根本滿(mǎn)足不了芯片的散熱要求，由熱因素引起的可靠性問(wèn)題變得更加突出。為了解決高密度微電子器件的散熱問(wèn)題，發(fā)展了微尺度換熱器、微型熱管、微型記憶合金百葉窗、納米流體等微細(xì)尺度熱控技術(shù)，推進(jìn)了新型電子元器件、電子薄膜材料以及相關(guān)生產(chǎn)工藝的發(fā)展，拓展和更新了傳統(tǒng)的傳熱理論和制冷技術(shù)。

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