『分享』熱設計的基礎知識與規范
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熱設計的基礎知識與規范
第一章 概 述
第一章 概 述
1.1 熱設計的目的
采用適當可靠的方法控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環
境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度，以保證產品正常運行的安全性，長期運行
的可靠性。
1.2 熱設計的基本問題
1.2.1 耗散的熱量決定了溫升，因此也決定了任一給定結構的溫度；
1.2.2 熱量以導熱、對流及輻射傳遞出去，每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比；
1.2.3 熱量、熱阻和溫度是熱設計中的重要參數；
1.2.4 所有的冷卻系統應是最簡單又最經濟的，并適合于特定的電氣和機械、環境條
件，同時滿足可靠性要求；
1.2.5 熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計同時進行，當出現矛盾時，應進行
權衡分析，折衷解決；
1.2.6 熱設計中允許有較大的誤差；
1.2.7 熱設計應考慮的因素：包括
結構與尺寸
功耗
產品的經濟性
與所要求的元器件的失效率相應的溫度極限
電路布局
工作環境
1.3 遵循的原則
1.3.1熱設計應與電氣設計、結構設計同時進行，使熱設計、結構設計、電氣設計相互
兼顧;
1.3.2 熱設計應遵循相應的國際、國內標準、行業標準;
1.3.3 熱設計應滿足產品的可靠性要求，以保證設備內的元器件均能在設定的熱環境中
長期正常工作。
1.3.4 每個元器件的參數選擇及安裝位置及方式必須符合散熱要求；
1.3.5 在規定的使用期限內，冷卻系統(如風扇等)的故障率應比元件的故障率低；
1.3.6 在進行熱設計時，應考慮相應的設計余量，以避免使用過程中因工況發生變化而
引起的熱耗散及流動阻力的增加。
1.3.7 熱設計不能盲目加大散熱余量，盡量使用自然對流或低轉速風扇等可靠性高的冷
卻方式。使用風扇冷卻時，要保證噪音指標符合標準要求。
1.3.8 熱設計應考慮產品的經濟性指標，在保證散熱的前提下使其結構簡單、可靠且體
積最小、成本最低。
1.3.9 冷卻系統要便于監控與維護
第三章 自然對流換熱
當發熱表面溫升為40℃或更高時，如果熱流密度小于0.04W/cm ，則一般可以通
過自然對流的方式冷卻，不必使用風扇。自然對流主要通過空氣受熱膨脹產生的浮升
力使空氣不斷流過發熱表面，實現散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設備，所以不
需要維護，成本最低。只要熱設計和熱測試表明系統通過自然對流足以散熱，應盡量
不使用風扇。
3.1 自然對流熱設計要考慮的問題
如果設計不當，元器件溫升過高，將不得不采用風扇。合理全面的自然對流熱設
計必須考慮如下問題：
3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件時，應將不耐熱的元件放在靠近進風口的位
置，而且位于功率大、發熱量大的元器件的上游，盡量遠離高溫元件，以避免輻射的
影響，如果無法遠離，也可以用熱屏蔽板（拋光的金屬薄板，黑度越小越好）隔開；
將本身發熱而又耐熱的元件放在靠近出風口的位置或頂部； 一般應將熱流密度高的元
器件放在邊沿與頂部，靠近出風口的位置，但如果不能承受較高溫度，也要放在進風
口附近，注意盡量與其他發熱元件和熱敏元件在空氣上升方向上錯開位置；大功率的
元器件盡量分散布局，避免熱源集中； 不同大小尺寸的元器件盡量均勻排列，使風阻
均布，風量分布均勻。
單板上元器件的布局應根據各元件的參數和使用要求綜合確定。
3.1.2 是否有足夠的自然對流空間。 元器件與元器件之間，元器件與結構件之間應保持
一定距離，通常至少13mm，以利于空氣流動，增強對流換熱。一些具體的參考距離尺
寸如下：
3.1.2.1 對相鄰的兩垂直發熱表面，d/L=0.25，如圖3-1-(a)所示;
3.1.2.2 對相鄰的垂直發熱表面與冷表面間距,dmin=2.5mm, 如圖3-1-(b)所示;
3.1.2.3.對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的上表面之間,d/D=0.85, 如圖3-1-(c)所示;
3.1.2.4 對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的垂直表面之間,d/D=0.7, 如圖3-1-(d)所示;
3.1.2.5 對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的水平底面之間,d/D=0.65, 如圖3-1-(e)所示;
圖3 自然對流時元器件排列的距離關系
豎直放置的電路板上的元件與相鄰單板之間的間隙至少為19mm。進出風口應盡量遠
離，避免氣流短路，通風口盡量對準散熱要求高的元件。
3.1.3 是否充分運用了導熱的傳熱途徑。由于自然對流的換熱系數很低，一般為
2
3~10W/m ℃，元件表面積很小或空間較小無法充分對流時，散熱量會很小，這時應盡
量采用導熱的方式，利用導熱系數較高的金屬或導熱絕緣材料（如導熱硅膠，云母，
導熱陶瓷，導熱墊等）將元件與機殼或冷板相連，將熱量通過更大的表面積散掉。
3.1.4 使用散熱器。對于個別熱流密度較高的元器件，如果自然對流時溫升過高，可以
設計或選用散熱器以增加散熱表面，設計選用方法見第5章。
3.1.5 是否充分運用了輻射的傳熱途徑。高溫元件可以通過輻射將部分熱量傳遞給機
殼，機殼對輻射熱的吸收強度和表面的黑度成正比。表面粗糙度越高，黑度越高，而
顏色對黑度的影響并不如人們一般認為的那樣明顯。當機殼表面涂漆，黑度可以達到
很高，接近1。在一個密閉的機盒中，機殼內外表面涂漆比不涂漆時元件溫升平均將下
降10%左右。
3.1.6 其他的冷卻技術。如果高熱流密度元器件附近的空間有限，無法安裝大散熱器，
可以采用冷管，將熱量導到其他有足夠空間安裝散熱器的位置。
綜合考慮上述問題時，將會有許多不同的結構布局方案，用一般的理論公式較難
分析有限空間的復雜流動和換熱，也難以比較方案的好壞。最好采用熱設計仿真分析
軟件對機箱/盒建模劃分網格并計算，然后可以方便地改動布局方案再次計算，比較不
同方案的計算結果，即可獲得最佳的或滿足要求的方案。國外許多通信公司都采用這
種軟件幫助新產品的熱設計，使一些產品避免采用風扇散熱。
第四章 強迫對流換熱-風扇冷卻
當散熱面熱流密度超過0.08W/cm ，就必須采用強迫風冷的方式散熱。強迫風冷在
我公司產品中應用最多。有時盡管不用風扇可以散熱，但散熱器和機箱體積會很大，
采用風扇冷卻可以將體積減小許多。
4.1 風道的設計
強迫風冷中風道的設計非常重要。以下是設計的一些基本原則： 盡量采用直通風道，避免氣流的轉彎。在氣流急劇轉彎的地方，應采用導風板使氣
流逐漸轉向，使壓力損失達到最小。 盡量避免驟然擴展和驟然收縮。 進出風口盡量遠離，防止氣流短路。 在機柜的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，防止氣流短路。 為避免上游插框的熱量帶入下游插框，影響其散熱，可以采用獨立風道，分開散
熱。 風道設計應保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區和低速區產生熱點。 對于并聯風道應根據各風道散熱量的要求分配風量, 避免風道阻力不合理布局 要避免風道的高低壓區的短路
4.2 抽風與吹風的區別
4.2.1 吹風的優缺點
a. 風扇出口附近氣流主要為紊流流動，局部換熱強烈，宜用于發熱器件比較集中的情
況，此時必須將風扇的主要出風口對準集中的發熱元件。
b. 吹風時將在機柜內形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進入機柜/箱。
c. 風扇將不會受到系統散熱量的影響，工作在在較低的空氣溫度下，風扇壽命較長。
d. 由于吹風有一定方向性，對整個插框橫截面上的送風量會不均勻。
e. 在風扇HUB附近和并聯風扇之間的位置有部分回流和低速區，換熱較差，最好將風
扇與插框保持50mm以上的間距，使送風均勻化。
4.2.2 抽風的特點
a. 送風均勻，適用于發熱器件分布比較均勻，風道比較復雜的情況。
b. 進入風扇的流動主要為層流狀態。
c. 風扇將在出風口高溫氣流下工作，壽命會受影響。
d. 機柜內形成負壓，縫隙中的灰塵將進入機柜/箱。
4.3 風扇選型設計
4.3.1 風扇的種類
通信產品中運用的風扇有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）
三種，它們的典型特性曲線見圖4-1
圖 4-1
3 3
圖中橫坐標表示風量，單位有m /h、m /min、CFM（立方英尺/分鐘，
-4 3
1CFM=4.72X10 m /s）。縱坐標表示風扇產生的靜壓，單位有Pa、in. of
water(=249Pa)、mm H2o(=9.8Pa)。由圖中可以看出，要使風扇的風量越大，其產生的
靜壓就越小，用于克服風道阻力的能力就越小。
從圖中的對比可以看出，軸流風扇風量大、風壓低，曲線中間的平坦轉折區為軸
流風扇特有的不穩定工作區，一般要避免風扇工作在該區域。最佳工作區在低風壓、
大流量的位置（曲線的后1/3段）。如果系統的阻力比較大，也可以利用高風壓、低流
量的工作區（曲線的前1/3段），但要注意風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風
方向垂直，其特點為風壓大、風量低，最好工作在曲線中壓力較高的區域。混流風扇
的特點介于軸流和離心之間，出風方向與進風有一傾斜角度，則風量可以立即擴散到
插框的各個角落，而且風壓與風量都比較大，但風扇HUB直徑較大，正對HUB的部分
風速很低，回流比較嚴重。
目前公司除極個別產品采用混流風扇外，一般都采用軸流風扇。我公司采用的風
扇產品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的風扇雖然性能好，但
在商務采購上評級為D，不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。
4.3.2 風扇與系統的匹配
空氣流過風道將產生壓力損失。系統的壓力損失有沿程阻力損失和局部阻力損
失。沿程損失是由氣流相互運動產生的阻力及氣流與壁面或單板的摩擦所引起的。局
部阻力損失是氣流方向發生變化或風道截面發生突變所引起的損失。不管哪種損失，
均和當地風速的平方成正比，如局部壓力損失由下式計算
(4-1)
式中 為阻力系數， 為空氣密度，v為風速。以下是一些典型的局部阻力系數
表4-1 典型局部阻力系數
說明
空氣由環境大空間進入進風口（流動突縮） 1
空氣由出風口進入環境大空間（流動突擴） 1
空氣經過90°轉彎 1.5
流通面積率為0.3的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2) 18
流通面積率為0.5的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2) 4
流通面積率為0.7的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2) 1
系統的壓力損失與風量呈拋物線關系，風扇產生的靜壓必須克服阻力損失，將風
扇的特性曲線與系統的特性曲線畫在同一張圖中，兩條曲線的交點即為風扇與系統的
工作點，如圖4-2所示
圖中表明風扇在該系統中工作時的風量為35m /s，產生的靜壓為30Pa，系統的壓力損
失為30Pa。如果工作點顯示的風量不滿足設計要求，則需要選擇其他型號的風扇來匹
配，或設法降低系統阻力，增加風量。
4.3.3 風扇的串并聯
在機柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量，采用風扇并聯使用的方式。風扇
并聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加，如圖4-3所示，實際上一般會比理
想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯使用產生的風量并不是僅采用一個風扇
時產生風量的兩倍，可能只增加30%，這和系統阻力特性曲線在工作點附近的斜率大
小有關。如果系統阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯的數目多到一定程度
時，并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯風扇數目不要超過3個，如果插框較
寬，可以用4個，縱向上除非插框很深，一般只用一排。
當機柜/箱的阻力較大時，可以采用風扇串聯使用的方式。風扇串聯時的特性曲線
理論上為各風扇曲線的縱向疊加，如圖4-4所示，實際曲線一般會比理論曲線略低.
1.1 熱設計的目的
采用適當可靠的方法控制產品內部所有電子元器件的溫度，使其在所處的 工作環
境條件下不超過穩定運行要求的最高溫度，以保證產品正常運行的安全性，長期運行
的可靠性。
1.2 熱設計的基本問題
1.2.1 耗散的熱量決定了溫升，因此也決定了任一給定結構的溫度；
1.2.2 熱量以導熱、對流及輻射傳遞出去，每種形式傳遞的熱量與其熱阻成反比；
1.2.3 熱量、熱阻和溫度是熱設計中的重要參數；
1.2.4 所有的冷卻系統應是最簡單又最經濟的，并適合于特定的電氣和機械、環境條
件，同時滿足可靠性要求；
1.2.5 熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計同時進行，當出現矛盾時，應進行
權衡分析，折衷解決；
1.2.6 熱設計中允許有較大的誤差；
1.2.7 熱設計應考慮的因素：包括
結構與尺寸
功耗
產品的經濟性
與所要求的元器件的失效率相應的溫度極限
電路布局
工作環境
1.3 遵循的原則
1.3.1熱設計應與電氣設計、結構設計同時進行，使熱設計、結構設計、電氣設計相互
兼顧;
1.3.2 熱設計應遵循相應的國際、國內標準、行業標準;
1.3.3 熱設計應滿足產品的可靠性要求，以保證設備內的元器件均能在設定的熱環境中
長期正常工作。
1.3.4 每個元器件的參數選擇及安裝位置及方式必須符合散熱要求；
1.3.5 在規定的使用期限內，冷卻系統(如風扇等)的故障率應比元件的故障率低；
1.3.6 在進行熱設計時，應考慮相應的設計余量，以避免使用過程中因工況發生變化而
引起的熱耗散及流動阻力的增加。
1.3.7 熱設計不能盲目加大散熱余量，盡量使用自然對流或低轉速風扇等可靠性高的冷
卻方式。使用風扇冷卻時，要保證噪音指標符合標準要求。
1.3.8 熱設計應考慮產品的經濟性指標，在保證散熱的前提下使其結構簡單、可靠且體
積最小、成本最低。
1.3.9 冷卻系統要便于監控與維護
第二章 熱設計基礎知識
2.1某些基本概念
2.1.1 溫升
指機柜內空氣溫度或元器件溫度與環境溫度的差。如果忽略溫度變化對空氣物性
的非線性影響，可以將一般環境溫度下（如空調房27℃）測量獲得的溫升直接加上最
高可能環境溫度獲得最惡劣環境下的器件近似溫度。例如在空調房內測得某器件溫升
為40℃，則在55℃最高環境溫度下該器件的溫度將為95℃。
2.1.2 熱耗
指元器件正常運行時產生的熱量。熱耗不等同于功耗，功耗指器件的輸入功率。
一般電子元器件的效率比較低，大部分功率都轉化為熱量。計算元器件溫升時，應根
據其功耗和效率計算熱耗，當僅知道大致功耗時，對于小功率設備，可認為熱耗等于
功耗，對于大功耗設備，可近似認為熱耗為功耗的75%。其實為給設計留一個余量，
有時直接用功耗進行計算。但注意電源模塊的效率比較高，一般為70%~95%，對于同
一個電源模塊，輸出功率越小，效率越低。
2.1.3 熱流密度
2
單位面積上的傳熱量，單位W/m 。
2.1.4 熱阻
熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了
1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路
徑上的溫升。
可以用一個簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電
壓，則熱阻相當于電阻。
以下是一些單板元器件熱分析使用的重要熱阻概念，這些熱阻參數一般由元器件
生產廠商根據標準實驗測量提供，可在器件的用戶說明書中查出：
2.1.4.1 結至空氣熱阻Rja：元器件的熱源結（junction）到周圍冷卻空氣（ambient）的
總熱阻，乘以其發熱量即獲得器件溫升。
2.1.4.2 結至殼熱阻Rjc：元器件的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發熱量即獲得結與
殼的溫差。
2.1.4.3 結至板熱阻Rjb：元器件的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即
獲得結與單板間的溫差。
2.1.5 導熱系數
表征材料導熱性能的參數指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的
導熱量，單位為W/m.K或W/m.℃
2.1.6 對流換熱系數
反映兩種介質間對流換熱過程的強弱，表明當流體與壁面的溫差為1 ℃時，在單
2 2
位時間通過單位面積的熱量，單位為W/m .K或W/m .℃
2.1.7 層流與紊流(湍流)
層流指流體呈有規則的、有序的流動，換熱系數小，熱阻大，流動阻力小；
紊流指流體呈無規則、相互混雜的流動，換熱系數大，熱阻小，流動阻力大。層
流與紊流狀態一般由雷諾數來判定。在熱設計中，盡可能讓熱耗大的關鍵元器件周圍
的空氣流動為紊流狀態，因為紊流時的換熱系數會是層流流動的數倍。
2.1.8 流阻
反映流體流過某一通道時所產生的靜壓差。單位帕斯卡或In. water
2.1.9 黑度
實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在0~1之間。它取決于物體種
類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。表面粗糙，無光澤，黑度大，輻射散熱能力
強。
2.1.11雷諾數Re(Reynlods)
雷諾數的大小反映了空氣流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數是說明流
體流態的一個相似準則數。其定義一般為
式中u為空氣流速，單位m/s； D為特征尺寸，單位m，根據具體的對象結構情況取
2
值； 為運動粘度，單位m /s。
2.1.12 普朗特數Pr(Prandtl)
普朗特數是說明流體物理性質對換熱影響的相似準則數。空氣的Pr數可直接根據
定性溫度從物性表中查出。
2.1.13 努謝爾特數Nu(Nusseltl)
反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是一個說明對流換熱強弱的相似
準則數。其定義一般為
2
h為換熱系數，單位W/m .℃；D為特征尺寸； 為導熱系數，單位W/m.℃。
2.1.14 通風機的特性曲線
指通風機在某一固定轉速下工作，靜壓隨風量變化的關系曲線。當風機的出風口
完全被睹住時，風量為零，靜壓最高；當風機不與任何風道連接時，其靜壓為零，而
風量達到最大
2.1.15 系統的阻力特性曲線
系統(或風道)的阻力特性曲線：是指流體流過風道所產生的壓降隨空氣流量變化
的關系曲線，與流量的平方成正比。
2.1.16 通風機工作點
系統(風道)的特性曲線與風機的靜壓曲線的交點就是風機的工作點。
2.1.17 速度頭
一般使用空氣的動壓頭來作為電子設備機箱壓降的慣用基準，其定義為
為空氣密度，u為空氣流速。風道中空氣的靜壓損失就由速度頭乘以阻力損失系數獲
得。
2.2 熱量傳遞的基本方式及傳熱方程式
熱量傳遞有三種方式：導熱、對流和輻射，它們可以單獨出現，也可能兩種或三
種形式同時出現
2.2.1導熱的基本方程：
導熱是在同一種介質中由于存在溫度梯度所產生的傳熱現象。
(2-1)
2
λ---- 導熱系數，W/m.K或W/m.℃; A導--- 導熱方向上的截面面積，m
---- x方向上的溫度變化率，℃; R導----- 導熱熱阻, ℃/W
根據方程的形式，可以看出，要增強散熱量，減小溫升，可以增加導熱系數，選
用導熱系數高的材料，如銅（約360W/m℃）或鋁（約160W/m℃）；增加導熱方向上
的截面積；減小導熱方向上的路徑。
2.2.2 對流的基本方程：
對流是由流體與流體流經的固體表面之間存在的溫差產生的換熱現象。
(2-2)
2 2 2
h---- 對流換熱系數，W/m .K或W/m .℃; A對--- 有效對流換熱面積，m
tw---- 熱表面溫度，℃; ta---- 冷卻空氣溫度，℃;
R對流----- 對流熱阻, ℃/W
由方程可見，要增強對流換熱，可以加大換熱系數和換熱面積。
2.2.3 輻射的基本方程：
---- 系統黑度，
ε1，ε2----分別為高溫物體表面（如發熱器件）和低溫物體表面（如機殼內表
面）的黑度;
F12------ 表面1到表面2的角系數。即表面1向空間發射的輻射落到表面2的百分
數。
2
A1 ---物體1的有效輻射面積，m ;
T1, T2--分別為物體1和物體2的絕對溫度，K
由方程可見，要增加輻射換熱，可以提高熱源表面的黑度和到冷表面的角系數，
增加表面積。
2.3 增強散熱的方式
以下一些具體的散熱增強方式，其實就是根據上述三種基本傳熱方程來增加散熱
量的：
2.3.1 增加有效散熱面積。如在芯片表面安裝散熱器；將熱量通過引線或導熱絕緣材料
導到PCB板中，利用周圍PCB板的表面散熱。
2.3.2 增加流過表面的風速，可以增加換熱系數。
2.3.3破壞層流邊界層，增加擾動。紊流的換熱強度是層流的數倍，抽風時，風道橫截
面上速度分布比較均勻，風速較低，一般為層流狀態，換熱避面上的不規則凸起可以
破壞層流狀態，加強換熱，針狀散熱器和翅片散熱器的換熱面積一樣，而換熱量卻可
以增加30%，就是這個原因。吹風時，風扇出口風速分布不均，有主要流動方向，局
部風速較高，一般為紊流狀態，局部換熱強烈，但要注意回流低速區換熱較差。
2.3.4 盡量減小導熱界面的 接觸熱阻。在接觸面可以使用導熱硅膠（絕緣性能好）或鋁
箔等材料。
2.3.5 設法減小散熱熱阻。在屏蔽盒等封閉狹小空間內的單板器件主要通過空氣的受限
自然對流和導熱、輻射散熱，由于空氣的導熱系數很小，所以熱阻很大。如果將器件
表面和金屬殼內側通過導熱絕緣墊接觸，則熱阻將大大降低，減小溫升。
2.1某些基本概念
2.1.1 溫升
指機柜內空氣溫度或元器件溫度與環境溫度的差。如果忽略溫度變化對空氣物性
的非線性影響，可以將一般環境溫度下（如空調房27℃）測量獲得的溫升直接加上最
高可能環境溫度獲得最惡劣環境下的器件近似溫度。例如在空調房內測得某器件溫升
為40℃，則在55℃最高環境溫度下該器件的溫度將為95℃。
2.1.2 熱耗
指元器件正常運行時產生的熱量。熱耗不等同于功耗，功耗指器件的輸入功率。
一般電子元器件的效率比較低，大部分功率都轉化為熱量。計算元器件溫升時，應根
據其功耗和效率計算熱耗，當僅知道大致功耗時，對于小功率設備，可認為熱耗等于
功耗，對于大功耗設備，可近似認為熱耗為功耗的75%。其實為給設計留一個余量，
有時直接用功耗進行計算。但注意電源模塊的效率比較高，一般為70%~95%，對于同
一個電源模塊，輸出功率越小，效率越低。
2.1.3 熱流密度
2
單位面積上的傳熱量，單位W/m 。
2.1.4 熱阻
熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質或介質間的傳熱能力的大小，表明了
1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。用熱耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路
徑上的溫升。
可以用一個簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電
壓，則熱阻相當于電阻。
以下是一些單板元器件熱分析使用的重要熱阻概念，這些熱阻參數一般由元器件
生產廠商根據標準實驗測量提供，可在器件的用戶說明書中查出：
2.1.4.1 結至空氣熱阻Rja：元器件的熱源結（junction）到周圍冷卻空氣（ambient）的
總熱阻，乘以其發熱量即獲得器件溫升。
2.1.4.2 結至殼熱阻Rjc：元器件的熱源結到封裝外殼間的熱阻，乘以發熱量即獲得結與
殼的溫差。
2.1.4.3 結至板熱阻Rjb：元器件的結與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即
獲得結與單板間的溫差。
2.1.5 導熱系數
表征材料導熱性能的參數指標，它表明單位時間、單位面積、負的溫度梯度下的
導熱量，單位為W/m.K或W/m.℃
2.1.6 對流換熱系數
反映兩種介質間對流換熱過程的強弱，表明當流體與壁面的溫差為1 ℃時，在單
2 2
位時間通過單位面積的熱量，單位為W/m .K或W/m .℃
2.1.7 層流與紊流(湍流)
層流指流體呈有規則的、有序的流動，換熱系數小，熱阻大，流動阻力小；
紊流指流體呈無規則、相互混雜的流動，換熱系數大，熱阻小，流動阻力大。層
流與紊流狀態一般由雷諾數來判定。在熱設計中，盡可能讓熱耗大的關鍵元器件周圍
的空氣流動為紊流狀態，因為紊流時的換熱系數會是層流流動的數倍。
2.1.8 流阻
反映流體流過某一通道時所產生的靜壓差。單位帕斯卡或In. water
2.1.9 黑度
實際物體的輻射力和同溫度下黑體的輻射力之比，在0~1之間。它取決于物體種
類、表面狀況、表面溫度及表面顏色。表面粗糙，無光澤，黑度大，輻射散熱能力
強。
2.1.11雷諾數Re(Reynlods)
雷諾數的大小反映了空氣流動時的慣性力與粘滯力的相對大小，雷諾數是說明流
體流態的一個相似準則數。其定義一般為
式中u為空氣流速，單位m/s； D為特征尺寸，單位m，根據具體的對象結構情況取
2
值； 為運動粘度，單位m /s。
2.1.12 普朗特數Pr(Prandtl)
普朗特數是說明流體物理性質對換熱影響的相似準則數。空氣的Pr數可直接根據
定性溫度從物性表中查出。
2.1.13 努謝爾特數Nu(Nusseltl)
反映出同一流體在不同情況下的對流換熱強弱，是一個說明對流換熱強弱的相似
準則數。其定義一般為
2
h為換熱系數，單位W/m .℃；D為特征尺寸； 為導熱系數，單位W/m.℃。
2.1.14 通風機的特性曲線
指通風機在某一固定轉速下工作，靜壓隨風量變化的關系曲線。當風機的出風口
完全被睹住時，風量為零，靜壓最高；當風機不與任何風道連接時，其靜壓為零，而
風量達到最大
2.1.15 系統的阻力特性曲線
系統(或風道)的阻力特性曲線：是指流體流過風道所產生的壓降隨空氣流量變化
的關系曲線，與流量的平方成正比。
2.1.16 通風機工作點
系統(風道)的特性曲線與風機的靜壓曲線的交點就是風機的工作點。
2.1.17 速度頭
一般使用空氣的動壓頭來作為電子設備機箱壓降的慣用基準，其定義為
為空氣密度，u為空氣流速。風道中空氣的靜壓損失就由速度頭乘以阻力損失系數獲
得。
2.2 熱量傳遞的基本方式及傳熱方程式
熱量傳遞有三種方式：導熱、對流和輻射，它們可以單獨出現，也可能兩種或三
種形式同時出現
2.2.1導熱的基本方程：
導熱是在同一種介質中由于存在溫度梯度所產生的傳熱現象。
(2-1)
2
λ---- 導熱系數，W/m.K或W/m.℃; A導--- 導熱方向上的截面面積，m
---- x方向上的溫度變化率，℃; R導----- 導熱熱阻, ℃/W
根據方程的形式，可以看出，要增強散熱量，減小溫升，可以增加導熱系數，選
用導熱系數高的材料，如銅（約360W/m℃）或鋁（約160W/m℃）；增加導熱方向上
的截面積；減小導熱方向上的路徑。
2.2.2 對流的基本方程：
對流是由流體與流體流經的固體表面之間存在的溫差產生的換熱現象。
(2-2)
2 2 2
h---- 對流換熱系數，W/m .K或W/m .℃; A對--- 有效對流換熱面積，m
tw---- 熱表面溫度，℃; ta---- 冷卻空氣溫度，℃;
R對流----- 對流熱阻, ℃/W
由方程可見，要增強對流換熱，可以加大換熱系數和換熱面積。
2.2.3 輻射的基本方程：
---- 系統黑度，
ε1，ε2----分別為高溫物體表面（如發熱器件）和低溫物體表面（如機殼內表
面）的黑度;
F12------ 表面1到表面2的角系數。即表面1向空間發射的輻射落到表面2的百分
數。
2
A1 ---物體1的有效輻射面積，m ;
T1, T2--分別為物體1和物體2的絕對溫度，K
由方程可見，要增加輻射換熱，可以提高熱源表面的黑度和到冷表面的角系數，
增加表面積。
2.3 增強散熱的方式
以下一些具體的散熱增強方式，其實就是根據上述三種基本傳熱方程來增加散熱
量的：
2.3.1 增加有效散熱面積。如在芯片表面安裝散熱器；將熱量通過引線或導熱絕緣材料
導到PCB板中，利用周圍PCB板的表面散熱。
2.3.2 增加流過表面的風速，可以增加換熱系數。
2.3.3破壞層流邊界層，增加擾動。紊流的換熱強度是層流的數倍，抽風時，風道橫截
面上速度分布比較均勻，風速較低，一般為層流狀態，換熱避面上的不規則凸起可以
破壞層流狀態，加強換熱，針狀散熱器和翅片散熱器的換熱面積一樣，而換熱量卻可
以增加30%，就是這個原因。吹風時，風扇出口風速分布不均，有主要流動方向，局
部風速較高，一般為紊流狀態，局部換熱強烈，但要注意回流低速區換熱較差。
2.3.4 盡量減小導熱界面的 接觸熱阻。在接觸面可以使用導熱硅膠（絕緣性能好）或鋁
箔等材料。
2.3.5 設法減小散熱熱阻。在屏蔽盒等封閉狹小空間內的單板器件主要通過空氣的受限
自然對流和導熱、輻射散熱，由于空氣的導熱系數很小，所以熱阻很大。如果將器件
表面和金屬殼內側通過導熱絕緣墊接觸，則熱阻將大大降低，減小溫升。
第三章 自然對流換熱
當發熱表面溫升為40℃或更高時，如果熱流密度小于0.04W/cm ，則一般可以通
過自然對流的方式冷卻，不必使用風扇。自然對流主要通過空氣受熱膨脹產生的浮升
力使空氣不斷流過發熱表面，實現散熱。這種換熱方式不需要任何輔助設備，所以不
需要維護，成本最低。只要熱設計和熱測試表明系統通過自然對流足以散熱，應盡量
不使用風扇。
3.1 自然對流熱設計要考慮的問題
如果設計不當，元器件溫升過高，將不得不采用風扇。合理全面的自然對流熱設
計必須考慮如下問題：
3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件時，應將不耐熱的元件放在靠近進風口的位
置，而且位于功率大、發熱量大的元器件的上游，盡量遠離高溫元件，以避免輻射的
影響，如果無法遠離，也可以用熱屏蔽板（拋光的金屬薄板，黑度越小越好）隔開；
將本身發熱而又耐熱的元件放在靠近出風口的位置或頂部； 一般應將熱流密度高的元
器件放在邊沿與頂部，靠近出風口的位置，但如果不能承受較高溫度，也要放在進風
口附近，注意盡量與其他發熱元件和熱敏元件在空氣上升方向上錯開位置；大功率的
元器件盡量分散布局，避免熱源集中； 不同大小尺寸的元器件盡量均勻排列，使風阻
均布，風量分布均勻。
單板上元器件的布局應根據各元件的參數和使用要求綜合確定。
3.1.2 是否有足夠的自然對流空間。 元器件與元器件之間，元器件與結構件之間應保持
一定距離，通常至少13mm，以利于空氣流動，增強對流換熱。一些具體的參考距離尺
寸如下：
3.1.2.1 對相鄰的兩垂直發熱表面，d/L=0.25，如圖3-1-(a)所示;
3.1.2.2 對相鄰的垂直發熱表面與冷表面間距,dmin=2.5mm, 如圖3-1-(b)所示;
3.1.2.3.對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的上表面之間,d/D=0.85, 如圖3-1-(c)所示;
3.1.2.4 對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的垂直表面之間,d/D=0.7, 如圖3-1-(d)所示;
3.1.2.5 對鄰近的水平發熱圓柱體和冷的水平底面之間,d/D=0.65, 如圖3-1-(e)所示;
圖3 自然對流時元器件排列的距離關系
豎直放置的電路板上的元件與相鄰單板之間的間隙至少為19mm。進出風口應盡量遠
離，避免氣流短路，通風口盡量對準散熱要求高的元件。
3.1.3 是否充分運用了導熱的傳熱途徑。由于自然對流的換熱系數很低，一般為
2
3~10W/m ℃，元件表面積很小或空間較小無法充分對流時，散熱量會很小，這時應盡
量采用導熱的方式，利用導熱系數較高的金屬或導熱絕緣材料（如導熱硅膠，云母，
導熱陶瓷，導熱墊等）將元件與機殼或冷板相連，將熱量通過更大的表面積散掉。
3.1.4 使用散熱器。對于個別熱流密度較高的元器件，如果自然對流時溫升過高，可以
設計或選用散熱器以增加散熱表面，設計選用方法見第5章。
3.1.5 是否充分運用了輻射的傳熱途徑。高溫元件可以通過輻射將部分熱量傳遞給機
殼，機殼對輻射熱的吸收強度和表面的黑度成正比。表面粗糙度越高，黑度越高，而
顏色對黑度的影響并不如人們一般認為的那樣明顯。當機殼表面涂漆，黑度可以達到
很高，接近1。在一個密閉的機盒中，機殼內外表面涂漆比不涂漆時元件溫升平均將下
降10%左右。
3.1.6 其他的冷卻技術。如果高熱流密度元器件附近的空間有限，無法安裝大散熱器，
可以采用冷管，將熱量導到其他有足夠空間安裝散熱器的位置。
綜合考慮上述問題時，將會有許多不同的結構布局方案，用一般的理論公式較難
分析有限空間的復雜流動和換熱，也難以比較方案的好壞。最好采用熱設計仿真分析
軟件對機箱/盒建模劃分網格并計算，然后可以方便地改動布局方案再次計算，比較不
同方案的計算結果，即可獲得最佳的或滿足要求的方案。國外許多通信公司都采用這
種軟件幫助新產品的熱設計，使一些產品避免采用風扇散熱。
3.2 自然對流換熱系數的計算
電子設備的自然對流通常屬于層流狀態，可以采用如下實驗關聯式計算
(3-1)
C---常數，取決于加熱面的形狀與位置，由表3-1查出
2
g---重力加速度，9.8m/s ---空氣體積膨脹系數，1/℃
2
Pr---普朗特數 ---空氣運動粘度，m /s
---壁面與空氣的溫差 l---特征尺寸，m，計算方法由表3-1查出
---空氣導熱系數，W/m℃
式中屬于空氣物性的參數可根據定性溫度從空氣物性表查出，定性溫度可取壁面溫度
與空氣溫度的算術平均值。由于空氣物性在常溫范圍內隨溫度的變化不大，為方便使
用，將40℃時的值代入上式，得如下簡單關聯式
(3-2)
表3-1 常數C的典型值與特征尺寸的取值方法
加熱面的形狀與位置 C 特征尺寸l
垂直的板、圓柱體、管 0.56 垂直高度（如果大于
0.6m，則取0.6）
水平的圓柱體或管 0.52 直徑
水平板，加熱面朝上 0.52
水平板，加熱面朝下 0.26
形狀不規則的小元件或線 1.45 直徑
（如晶體管、電阻、繼電
器、小型變壓器）
算例：某交換機插框電路板垂直放置，間距25.4mm，單板尺寸233.3mmX280mm（高
X深），每個單板功耗為11.5W，初步估算可認為熱耗在單板上均勻分布，空氣溫度
27℃，求單板平均表面溫度。
解：由于電路板面對面安裝，相互間的輻射換熱互相抵消，元件到機殼的角系數很
小，輻射可以忽略。插框采用塑膠滑道，導熱可以忽略。單板主要換熱方式為對流，
可采用式2-2計算
式中換熱系數h可按垂直平板的情況由式3-2計算，查表3-1，C為0.56，特征尺寸l為單
板高0.233m，將參數代入式3-3，得
解得 ，故單板平均溫度為 。
電子元件的引線穿過電路板，在背面與印制敷銅導線用錫焊焊牢，部分熱量將通
過引線導到單板的背面。實驗表明，PCB板背面能增加有效傳熱面積約達30%。將上
面計算中使用的面積增大為1.3倍，單板溫度為55.3℃。
注意到單板的平均熱流密度為 ，一般初步估
計分析對象是否可以采用自然對流散熱的方式時，可以先根據其熱流密度是否小于
0.04W/cm2 來判斷。
電子設備的自然對流通常屬于層流狀態，可以采用如下實驗關聯式計算
(3-1)
C---常數，取決于加熱面的形狀與位置，由表3-1查出
2
g---重力加速度，9.8m/s ---空氣體積膨脹系數，1/℃
2
Pr---普朗特數 ---空氣運動粘度，m /s
---壁面與空氣的溫差 l---特征尺寸，m，計算方法由表3-1查出
---空氣導熱系數，W/m℃
式中屬于空氣物性的參數可根據定性溫度從空氣物性表查出，定性溫度可取壁面溫度
與空氣溫度的算術平均值。由于空氣物性在常溫范圍內隨溫度的變化不大，為方便使
用，將40℃時的值代入上式，得如下簡單關聯式
(3-2)
表3-1 常數C的典型值與特征尺寸的取值方法
加熱面的形狀與位置 C 特征尺寸l
垂直的板、圓柱體、管 0.56 垂直高度（如果大于
0.6m，則取0.6）
水平的圓柱體或管 0.52 直徑
水平板，加熱面朝上 0.52
水平板，加熱面朝下 0.26
形狀不規則的小元件或線 1.45 直徑
（如晶體管、電阻、繼電
器、小型變壓器）
算例：某交換機插框電路板垂直放置，間距25.4mm，單板尺寸233.3mmX280mm（高
X深），每個單板功耗為11.5W，初步估算可認為熱耗在單板上均勻分布，空氣溫度
27℃，求單板平均表面溫度。
解：由于電路板面對面安裝，相互間的輻射換熱互相抵消，元件到機殼的角系數很
小，輻射可以忽略。插框采用塑膠滑道，導熱可以忽略。單板主要換熱方式為對流，
可采用式2-2計算
式中換熱系數h可按垂直平板的情況由式3-2計算，查表3-1，C為0.56，特征尺寸l為單
板高0.233m，將參數代入式3-3，得
解得 ，故單板平均溫度為 。
電子元件的引線穿過電路板，在背面與印制敷銅導線用錫焊焊牢，部分熱量將通
過引線導到單板的背面。實驗表明，PCB板背面能增加有效傳熱面積約達30%。將上
面計算中使用的面積增大為1.3倍，單板溫度為55.3℃。
注意到單板的平均熱流密度為 ，一般初步估
計分析對象是否可以采用自然對流散熱的方式時，可以先根據其熱流密度是否小于
0.04W/cm2 來判斷。
第四章 強迫對流換熱-風扇冷卻
當散熱面熱流密度超過0.08W/cm ，就必須采用強迫風冷的方式散熱。強迫風冷在
我公司產品中應用最多。有時盡管不用風扇可以散熱，但散熱器和機箱體積會很大，
采用風扇冷卻可以將體積減小許多。
4.1 風道的設計
強迫風冷中風道的設計非常重要。以下是設計的一些基本原則： 盡量采用直通風道，避免氣流的轉彎。在氣流急劇轉彎的地方，應采用導風板使氣
流逐漸轉向，使壓力損失達到最小。 盡量避免驟然擴展和驟然收縮。 進出風口盡量遠離，防止氣流短路。 在機柜的面板、側板、后板沒有特別要求一般不要開通風孔，防止氣流短路。 為避免上游插框的熱量帶入下游插框，影響其散熱，可以采用獨立風道，分開散
熱。 風道設計應保證插框單板或模塊散熱均勻，避免在回流區和低速區產生熱點。 對于并聯風道應根據各風道散熱量的要求分配風量, 避免風道阻力不合理布局 要避免風道的高低壓區的短路
4.2 抽風與吹風的區別
4.2.1 吹風的優缺點
a. 風扇出口附近氣流主要為紊流流動，局部換熱強烈，宜用于發熱器件比較集中的情
況，此時必須將風扇的主要出風口對準集中的發熱元件。
b. 吹風時將在機柜內形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進入機柜/箱。
c. 風扇將不會受到系統散熱量的影響，工作在在較低的空氣溫度下，風扇壽命較長。
d. 由于吹風有一定方向性，對整個插框橫截面上的送風量會不均勻。
e. 在風扇HUB附近和并聯風扇之間的位置有部分回流和低速區，換熱較差，最好將風
扇與插框保持50mm以上的間距，使送風均勻化。
4.2.2 抽風的特點
a. 送風均勻，適用于發熱器件分布比較均勻，風道比較復雜的情況。
b. 進入風扇的流動主要為層流狀態。
c. 風扇將在出風口高溫氣流下工作，壽命會受影響。
d. 機柜內形成負壓，縫隙中的灰塵將進入機柜/箱。
4.3 風扇選型設計
4.3.1 風扇的種類
通信產品中運用的風扇有軸流（Axial）、離心（Radial）、混流（Mixed-flow）
三種，它們的典型特性曲線見圖4-1
圖 4-1
3 3
圖中橫坐標表示風量，單位有m /h、m /min、CFM（立方英尺/分鐘，
-4 3
1CFM=4.72X10 m /s）。縱坐標表示風扇產生的靜壓，單位有Pa、in. of
water(=249Pa)、mm H2o(=9.8Pa)。由圖中可以看出，要使風扇的風量越大，其產生的
靜壓就越小，用于克服風道阻力的能力就越小。
從圖中的對比可以看出，軸流風扇風量大、風壓低，曲線中間的平坦轉折區為軸
流風扇特有的不穩定工作區，一般要避免風扇工作在該區域。最佳工作區在低風壓、
大流量的位置（曲線的后1/3段）。如果系統的阻力比較大，也可以利用高風壓、低流
量的工作區（曲線的前1/3段），但要注意風量是否達到設計值。離心風扇的進、出風
方向垂直，其特點為風壓大、風量低，最好工作在曲線中壓力較高的區域。混流風扇
的特點介于軸流和離心之間，出風方向與進風有一傾斜角度，則風量可以立即擴散到
插框的各個角落，而且風壓與風量都比較大，但風扇HUB直徑較大，正對HUB的部分
風速很低，回流比較嚴重。
目前公司除極個別產品采用混流風扇外，一般都采用軸流風扇。我公司采用的風
扇產品主要有NMB、PAPST、DELTA、SONON，其中PAPST的風扇雖然性能好，但
在商務采購上評級為D，不推薦采用。NMB用得較多，DELTA樣品供貨較快。
4.3.2 風扇與系統的匹配
空氣流過風道將產生壓力損失。系統的壓力損失有沿程阻力損失和局部阻力損
失。沿程損失是由氣流相互運動產生的阻力及氣流與壁面或單板的摩擦所引起的。局
部阻力損失是氣流方向發生變化或風道截面發生突變所引起的損失。不管哪種損失，
均和當地風速的平方成正比，如局部壓力損失由下式計算
(4-1)
式中 為阻力系數， 為空氣密度，v為風速。以下是一些典型的局部阻力系數
表4-1 典型局部阻力系數
說明
空氣由環境大空間進入進風口（流動突縮） 1
空氣由出風口進入環境大空間（流動突擴） 1
空氣經過90°轉彎 1.5
流通面積率為0.3的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2) 18
流通面積率為0.5的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2) 4
流通面積率為0.7的通孔板(0.01<板厚/孔徑<0.2) 1
系統的壓力損失與風量呈拋物線關系，風扇產生的靜壓必須克服阻力損失，將風
扇的特性曲線與系統的特性曲線畫在同一張圖中，兩條曲線的交點即為風扇與系統的
工作點，如圖4-2所示
圖中表明風扇在該系統中工作時的風量為35m /s，產生的靜壓為30Pa，系統的壓力損
失為30Pa。如果工作點顯示的風量不滿足設計要求，則需要選擇其他型號的風扇來匹
配，或設法降低系統阻力，增加風量。
4.3.3 風扇的串并聯
在機柜/箱中一般為保證送風均勻和足夠的風量，采用風扇并聯使用的方式。風扇
并聯時的特性曲線理論上為各風扇曲線的橫向疊加，如圖4-3所示，實際上一般會比理
想曲線略低。由圖中可以看出，兩個風扇并聯使用產生的風量并不是僅采用一個風扇
時產生風量的兩倍，可能只增加30%，這和系統阻力特性曲線在工作點附近的斜率大
小有關。如果系統阻力較大，阻力特性曲線較陡，當風扇并聯的數目多到一定程度
時，并不能明顯增加風量。一般建議橫向上并聯風扇數目不要超過3個，如果插框較
寬，可以用4個，縱向上除非插框很深，一般只用一排。
當機柜/箱的阻力較大時，可以采用風扇串聯使用的方式。風扇串聯時的特性曲線
理論上為各風扇曲線的縱向疊加，如圖4-4所示，實際曲線一般會比理論曲線略低.
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