2.2 电子热设计常用概念解释

在使用ANSYS Icepak过程中，经常会碰到传热学、流体力学等相关的变量、概念，本节主要是对软件涉及的相关概念进行解释。

面热流密度：单位面积的热流量（W/m2）。

体积热流密度：单位体积的热流量（W/m3）。

热沉：热量经传热路径到达的最终位置，通称为热沉，热沉可能是大地、大气、大体积的水或者宇宙，取决于电子设备所处的环境。

热阻：热量在传热路径上的阻力，Rt=Δt/Q，其中，Δt为温差（℃）, Q为热耗（℃/W），表示传递1W热量所引起的温升大小。

温升：指元器件温度与环境温度的差值。

热耗：器件正常运行时产生的热量，热耗小于器件输入的功耗。

导热系数：表示物体导热能力的物理参数，主要指单位时间内，单位长度温度降低1℃时，单位面积导热传递的热量。

稳态：也称为定常，即系统内任何一点的压力、速度、密度、温度等变量均不随时间变化，称为稳态；反之，如果这些变量随着时间进行变化，称为瞬态，也称为非定常。

温度场：系统或模块内空间的温度分布。

接触热阻：在实际电子散热模拟中，由于两个固体壁面的接触只发生在某些点上（见图2-4），其余狭小空间均为空气，由于空气的导热系数较小，在此传热路径上会产生比较大的热阻。通常在两个面上涂抹导热硅脂或者填充导热垫片来减小空气导致的接触热阻，如图2-5所示。

另外，接触热阻的大小与接触压力、海拔高度均有关。

雷诺数（Re）：雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力和黏滞力的相对大小，是说明流体流态的一个相似准则，其计算公式如下：

式中，ρ为流体的密度（kg/m3）; u为流体的速度（m/s）; μ为流体的动力黏度（Pa·s）; D为特征尺寸（m）。

在ANSYS Icepak中，可自动计算相应模型的Re，以帮助用户判断系统的流态。当Re≤2200时，流动属于层流状态；当Re＞10000时，流动属于湍流状态，而当2200＜Re≤10000时，流动属于层流向湍流过渡的过渡状态。

层流：指流速低于临界速度时形成的流动，流体分子的流线互相平行，互不交叉，流体层与层之间不发生传质的现象，此时层与层之间主要是靠传导进行传热。

湍流：当流速超过临界流速时，流体分子质点明显出现不规则的、杂乱的运动过程。湍流状态下除摩擦阻力外还存在由于质点相互碰撞、混杂所造成的惯性阻力，因此湍流的阻力比层流阻力大得多。在固体壁面附近的流动边界层内，流态为层流，而在边界层外，导热、湍流同时存在，如图2-6所示。在电子热设计中，应该尽可能让热耗大的器件周围空气呈现湍流状态。

流阻：反映系统流过某一通道或某一系统时进出口所产生的静压差（Pa）。

对流换热系数：表示单位时间内，单位面积温差为1℃时流体与固体间所传递的热量（W/m2·℃）。

角系数：F12表示表面1到表面2的角系数，即表面1向空间发射的热辐射，落到表面2上的热耗占表面1整体热辐射的百分数。

黑体：落在物体表面上的所有辐射均能全部吸收，这类物体称为黑体。

发射率（黑度）：实际物体表面的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，在0～1之间。另外，发射率在极高温度下会发生变化；发射率的大小主要取决于器件表面的状况，表面的粗糙度和氧化物会使发射率发生相当大的变化。

灰体：将实际物体的发射率和吸收率看成与波长无关的物体，称为灰体，即吸收率与波长无关。在热射线范围内，绝大多数材料均可近似当作灰体处理，其发射率等于吸收率。

格拉晓夫数（Gr）：反映流体所受浮升力与黏滞力的相对大小。

普朗特数（Pr）：反映流体物理性质对换热影响的相似准则数。

努塞尔数（Nu）：反映流体在不同情况下的对流换热强弱，是说明对流换热强弱的准则数。自然对流和强迫对流的Nu准则方程不同，在2.3节中会有详细说明。

结至空气热阻（Rja）：元器件的热源节点（Junction）与环境空气的热阻。

结至壳热阻（Rjc）：元器件的热源节点至封装外壳的热阻。

结至板热阻（Rjb）：元器件的热源节点至PCB的热阻。

风机的特性曲线：指风机在某一固定转速下，静压随风量变化的关系曲线，当风机出口被堵住时，风量为0，风压最高；当风机不与任何系统连接时，静压为0，风量最大。

系统阻力曲线：指流体流过系统风道时所产生的压降随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。

风机的工作点：系统的阻力特性曲线与风机特性曲线的交点就是风机的工作点，表示此时风机给系统提供的流量和压力。

第1类热边界条件：固定边界上的温度值，即规定某边界温度保持恒定。

第2类热边界条件：规定了某边界上的热流密度值。

第3类热边界条件：规定某边界上物体与周围流体间的表面换热系数及周围流体的温度。

系统阻力损失：沿程阻力损失和局部阻力损失之和。

沿程阻力损失：气流相互运动所产生的阻力和气流与系统的摩擦引起的阻力损失。

局部阻力损失：气流方向发生变化或者管道截面积突变所引起的阻力损失。

不可压缩流体：当流体的密度为常数时，流体为不可压缩流体。在电子散热中，由于气流速度较低，因此，流体均为不可压缩流体。

热环境：各类电子设备所处的场所即为热环境。通常包括流体的种类、温度、压力及速度，周边器件的表面温度、外形及发射率，电子设备周边所有的吸热/导热路径。电子产品热环境的可变性是热设计中必须考虑的重要因素，即热设计必须考虑电子产品所处的真实热环境，如航天器上的电子设备在飞行过程中会遇到大气层的气动热、大气层外宇宙空间的热辐射等；电子设备必须满足不同环境温度和压力工况下的热可靠性要求，除此之外，还需要考虑压力密封、机械振动和电磁干扰等因素。在运载火箭整流罩内装载有航天器，外界热环境与整流罩、航天器等的换热过程如图2-7所示，在进行航天器热设计时，必须考虑其所处空间的不同热流环境，以保证航天器能够正常工作。