GB T 31845-2015 电工电子设备机械结构 热设计规范.pdf

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1、ICS 31.240 K 05 中华人民共和国国家标准GB/T 31845-2015 电工电子设备机械结构热设计规范Mechanical structures for electrotechnical and electronic equipment Thermal design specification 2015回07-03发布2016-02-01实施f飞中华人民共和国国家质量监督检验检窥总局也世辄止J中国国家标准化管理委员会。叩号亏主GB/T 31845-2015 目次前言. . . . . . . . m 1 范围. 2 规范性引用文件. 3 术语和定义. 4 热设计概述. . . .

2、 . 4 4.1 热设计的基本原则. . . . 4 4.2 热设计的相关影响因素. . . . . . . 4 4.3 热量传递的基本方式. 4.4 冷却方法的选择. . . . . 5 4.5 可触及表面的温度. . . . 6 4.6 设备的温度. . . . 7 4.7 器件的温度. 4.8 设备的噪声. 4.9 冗余设计. 4.10 其他. . . . . 7 5 常用散热技术. . . . . 8 5.1 自然散热. . . . 8 5. 1.1 自然散热中的传导 . . . 8 5. 1.2 自然散热中的对流. . 8 5.1.3 自然散热中的辐射. . 9 5. 1.4 自然散

3、热传热路径控制. . . . 10 5.2 强迫风冷. . . . . 10 5.2.1 风道设计. . . . 10 5.2.2 风机的选型、安装与调速控制 . 12 5.2.3 热交换器选型. . . . 16 5.2.4 防尘网选型. . . 17 5.2.5 强迫风冷设备的噪声控制. . 18 5.2.6 强迫风玲散热常用的主要措施. 5.2.7 强迫风冷设备的热管理原则. 5.3 其他散热技术. . . . . . . 20 5.3.1 液冷技术. . . . . . 20 5.3.2 热电致玲. 5.3.3 相变蓄热. . . . . . 20 6 机房热管理技术6.1 概述. .

4、 . . 20 6.2 机房热管理基本原则. . . . . 21 6.2.1 机房规划. . . . . . 21 I GB/T 31845-2015 6.2.2 机房冷却方式. . . . . . 22 6.2.3 机房冷却方式选择. . 26 7 关键散热部件及导热界面材料. . 26 7.1 散热器. . . . . 26 7. 1.1 散热器的设计. . . . . 26 7. 1.1.1 散热器的设计流程. . . . 26 7. 1.1.2 散热器的一般设计要求. . . . . 27 7. 1.2 散热器的安装要求7.2 热管. . . 27 7.2.1 概述. . . . .

5、 27 7.2.2 热管的应用场合. . . . . . 27 7.2.3 热管的选择安装. . . . . 27 7.3 导热界面材料. . . . 27 7.3.1 概述. . . . 27 7.3.2 导热界面材料的性能与参数. . 28 7.3.2.1 导热系数. . 28 7.3.2.2 热阻. . . . 28 7.3.2.3 连续使用温度. . . . 28 7.3.2.4 硬度和可压缩性. . . . 28 7.3.2.5 击穿电压. . . 28 7.3.3 导热界面材料的种类. . . 28 8 热测试8.1 热测试的目的. . . 28 8.2 热测试的内容. . . .

6、 . . 28 8.3 热泪试方案的制定. . . . . . 29 8.3.1 测试环境. . . . . . . . 29 8.3.2 测试点的选择. . . . . 29 8.4 常用测试设备. . . . . 29 8.5 传感器的安装位置8.5.1 测试器件表面温度时的安装位置. . . 29 8.5.2 测试空气温度时的安装位置. . . 30 8.5.3 测试PCB温度时的安装位置. . . 31 8.5.4 测试功放管时的安装位置. . . . 31 附录A(资料性附录热设计常用计算. . . . . 32 附录B(资料性附录材料的热物理性质. . . . 36 附录C(资料性

7、附录热管的构成与不同类型热管的比较.附录D(资料性附录导热界面材料的种类和使用要求.参考文献. . . 41 E GB/T 31845-2015 前盲本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本标准由全国电工电子设备结构综合标准化技术委员会(SAC/TC34)提出并归口。本标准起草单位z中兴通讯股份有限公司、北京四方继保自动化股份有限公司、华为技术有限公司、国网电力科学研究院、南京南瑞继保电气有限公司、许继电气股份有限公司、国电南京自动化股份有限公司、中国船舶重工集团公司第七一五研究所、烽火通信科技股份有限公

8、司、江苏天港箱柜有眼公司、慧漠奇国电器有限公司、万控集团有限公司、天津正本电气股份有限公司。本标准主要起草人z薛松、景宿亨、张开国、田菁、张实、张缸、尹东海、郭雨龙、王蔚、宋小军、陈爱军、朱云霄、吴蓓、庞海鸥、袁丰华、游汉梅、巫程、江国庆、马桂昌、申随章。皿1 范围电工电子设备机械结构热设计规范GB/T 31845-2015 本标准规定了电工电子设备机械结构热设计的基本原则、热设计要求、常用散热技术、关键散热部件、导热界面材料以及热测试的相关要求，同时在附录中介绍了热设计算法和常用材料的物理参数。本标准适用于除手持终端以外所有电工电子设备机械结构的热设计。以下电工电子设备简称设备，电工电子设备

9、机械结构简称机械结构。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件.凡是不注日期的引用文件，其最新版本包括所有的修改单适用于本文件。GB 3095 环境空气质量标准GB 3096 声环境质量标准GB 4943.1 2011 信息技术设备安全第1部分z通用要求GB/T 14295-2008 空气过撞器YD/T 1821 2008 通信中心机房环境条件要求ETS 300 119-5 设备工程s对于设备实际应用的欧洲通信标准z第五部分z热管理(Environmental Engineering(EE); European Telecommu

10、nication Standard for Equipment Practice; Part 5: Thermal Management) GR-63 网络设备构建系统的要求z物理保护(NetworkEquipment-Building System Require ment: Physical Protection) ASTM D5(701) 热导性电绝缘材料的热传输特性的标准试验方法(StandardTest Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Ma

11、terials) 3 术语和定义3.1 3.2 3.3 下列术语和定义适用于本文件.温度梯度temperature gradient 等温面法线方向上，单位长度的温度变化量。棉流量heat transfer rate 单位时间内热路上传递的热量。藕阻thermal r四istance热路上的温差除以热流量。1) ASTM1American Society for Testing and Materials，美国材料和试验协会.GB/T 31845-2015 3.4 3.5 接触热阻contact resistance 接触界面间所产生的热阻。导棉heat conduction 不同温度的物体或

12、物体内不同温度的各部分之间，分子动能和自由电子运动所引起的一种热量传递过程。3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 2 导热系数tbermal cond囚ctivity表征物质导热能力的参数，它等于熊施密度除以温度梯度对流换热beat conv，配tion流体流过物体表面时所发生的一种热量传递过程。自然对流uatural，nvl四tion由流体各部分温度不均匀造成的浮升力所引起的流体运动。强迫对流for四dDV配tioD由外力迫使流体流动的一种运动。层流laminar fiow 流体流动时，相邻两层之间质点互不混杂，层次分

13、明的一种流动状态。章流turbolent fiow 流体流动时，质点相互棍杂，而无层次的一种流动状态。当量直桓equivalent diameter 非圆截面槽道等效之圆管直径，等于4倍的流体流动的槽道的截面租与湿润周边长度之比。对流换热票数coeffici咽tof conv民tiveheat transfer 表示流体与物体表面之间换热能力的参数。传铺票擞overall coefficient of b四ttransfer 表示流体在传热过程中换热能力的一个参数，它等于热流密度除以温度差。辐射换热radiation beat transfer 物体间以电磁波的形式辐射和吸收热量所形成热量传递

14、过程。黑度emissivity 实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比值。锦环埠tbermal environment 影响设备或元器件热特性的各种环境因素之总称。GB/T 31845-2015 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 传热路径heat transfer path 热量传递的路径。热流窜度heat f1ux 单位面棋的热流量。体现功率密度volumetric power density 单位体棋内的热流量。自然冷却natoral cling 利用导热、自然对流和辐射换热三种方式之一或其组合进行的冷却。强迫冷却forced coolin

15、g 利用通风机、泵或其他压力源迫使冷却介质流经发热元器件或设备的冷却。强迫空气冷却forced air cooling 利用通风机或其他压力源驱动冷却空气流经发热元器件或设备进行的冷却.射流冷却impingement air cIing 利用高压气流对发热表面进行喷射的冷却。班体冷却liquid cIing( or f1uid cIing) 利用液体对发热元器件或设备进行的冷却.3.26 直接壤悻冷却direct liquid cooling 将电子元器件直接置于冷却液体中进行的冷却。利用液体汽化时吸收汽化热进行的冷却。3.27 散热器h阅tsink 具有扩展表面以增强电子元器件或设备散热的器

16、件。3.28 型材散热器shape heat sink 用扩展表面为连续肋片的型材加工而成的散热器。3.29 换热器h田texchanger 用来把热量从热流体传至冷流体的一种换热装置。3.30 冷板cold plate 利用单种流体进行热交换的一种换热装置。3.31 鹅曹h阁tpipe 一种靠工质相变时吸收和释放汽化潜热，并由蒸汽流动传输热量的真空密封高效传热器件。3 GB/T 31845-2015 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 3.38 锦特性tbermal characteristic 设备或元器件的温度、压力和流量(或流速)分布随热环境及功能而变化的特性。

17、静压static press町e静压是由于分子运动力而产生的对壁面的压力。动压velocity press盯e由流体运动速度引起的压力。金压total pressure 静压和动压之租。体积流量volume now rate 单位时间内流过某指定截面的流体的体棋。质量流量mass now rate 单位时间内流过某指定截面的流体的质量.热血力tbermal stress 电子元器件材料因温度引起热胀冷缩所产生的应力。3.39 3.40 3.41 系统阻力特性system impedance cbaracteristic 流道系统或机柜中压力损失与流量的函数关系。酒凤机工作点。Iperation

18、alpoint of fan 风道阻力特性曲线与风机的静压或全压特性曲线在同一坐标系上的交点。热通道/冷通道bot aisle/ cold aisle 数据中心的服务器机架和其他计算设备的布局设计。热通道/冷通道构造旨在通过管理气流来节约能源和降低冷却成本.最简单的数据中心热通道/冷通道设计是在交叉行排列服务器机架，让冷空气的进口朝一边，热空气的出口朝另一边.机架前端组成的行称为冷通道，通常情况下，冷通道面向空调的输出管道.热空气输出的那一行称为热通道，通常情况下，热通道面向空调的回风管道。4 锦设计割草述4.1 鹅设计的基本原则热设计应保证设备在规定的环境条件下长期正常运行，辅助散热所需能耗

19、力求最低，并在短期严酷的环境条件下具有必要的安全冗余。4.2 热设计的相关影晌因素热设计的影响因素包括za) 环境温度和大气压力或海拔高度); 4 GB/T 31845-2015 b) 环境温度和大气压力(或海拔高度)的变化率zc) 太阳或周围物体的辐射热zd) 设备的热挺大小及分布情况F的冷却介质的物理特性、温度、压力和允许的压降ED 机械结构的热特性等。4.3 热量传递的基本方式不同设备热量传递的基本方式za) 自然冷却系统，一般需要同时考虑传导、对流和辐射三种传热方式FM 强迫对流冷却系统，只需考虑传导和对流，辐射散热可以忽略s。对于直接受太阳辐射的室外设备，应考虑太阳辐射。4.4 冷却

20、方法的选择在选择冷却方法时，应考虑设备的热流密度、体现功率密度和温升等相关因素.假设设备内产生的热量均匀分布在其有效空间中，同时充分地传递到设备表面。如设备表面热流密度小于0.08W/cmz时，建议采用自然冷却方式;如热流密度超过0.08W/cm2或体积功率密度超过0.18 W/cm3时，建议采用强迫风冷或液玲等方式。在温升为40K时，各种冷却方法适用的热流密度和体积功率密度值的范围如图1所示。自然冷却强池空气怜却蒸发冷却!?又直接液体冷却。0.8 1. 6 击鲁流密度/(W/cm2) a) 鹅流密度自然空气冷却110.009塑料封袋110.015金属传导。.12:0.3 (戴大a aaz -

21、nu | 强迫空气冷却au au 直接液体冷却蒸发冷却i 1.22 。.30.6 体狈功率密度/(W/cm3) b) 体积功率密度(运用于密封单元内部的冷却固1温升为40K时，各种冷却方法适用的热流密度和体积功率范围5 GB/T 31845-2015 针对温升要求不同的设备.也可以根据热流密度和温升关系选择适用的冷却方法，如图2所示。MV642MVS 1 10-2 2 4 6 10-1 2 4 6 H)O 2 4 6 10 2 热流密度/(W/cm2) 圄2热流密度与混升关系圄对于室内设备，建议按照GR-63标准中的推荐值，对其最大散热量进行约束。表1为设备安装条件及最大散热量约束要求。表1设

22、备安装条件及最大散热量的束要求设备约束要求自然对流1450 W/m2(134.7 W/时单机架强迫风冷1 950 W /m2 (181.2 W /时整个系统860 W/m2(79.9 W/f们多机架在一个更大系统内的任意6.1mX 6.1 m(20 ftX20 ft)的正方形区域1075 W/m2(99.9 W/f们子架含插箱自然对流设备每占用1m高的机架垂直空间:740W/m2(20.9 W/ft2/ft) 一设备每占用1m高的机架垂直空间:985W/m2(27.9 W/ft2/ft) 和机箱强迫凤冷注2完全由强迫对流冷却设备构成的系统可以将指标提高到1075W/m2(99.9 W/仔和12

23、90 W/mz (119.8 W/f们。4.5 可触及襄面的温度热设计应保证可触及表面的温度符合GB4943. 1-2011或相关产品标准规定的安全要求。GB 4943.1-2011规定的可触及表面的温度限值列于表2.表2设备可触及表面的温度限值最高温度/C操作人员接触区的零部件金属玻璃、窑料和袖料塑料和橡胶a仅短时间被握持或被接触的把手、旋钮、援手等60 70 85 正常使用时被连续握持的把手、旋钮、援手等55 65 75 可能会被接触到的设备外表面b70 80 95 6 GB/T 31845-2015 表2(续最高温度/C操作人员接触区的零部件金属玻璃、瓷料和精料塑料和橡胶可能会被接触到的

24、设备内表面e70 80 95 对每一种材料，应当考虑该种材料的参数特性，以便确定适宜的最高温度.b下述零部件的温度不超过100c是允许的s一一在正常使用时不可能被触及到的、尺寸不超过50mm的设备外表面上的某一部位F和一一如果操作人员很清楚地知道设备的某个零部件需要热量来完成预定功能.在设备的临近发热零部件的显著位置应当有警告标识.e允许温度超过限值的零部件应满足如下条件g一一不可能无意间接触这样的零部件，和-一有警告标识的零部件，该标记指明此零部件是发热的.4.6 设备的温度设备的温度与设备温升和局部环境温度有关。设备温升为设备出风口平均温度与设备人风口平均温度的差值。局部环境温度为设备内部

25、一定空间区域中的空气平均温度.一般应满足以下要求za) 在最高极限环撞温度下工作时，设备内部的局部环境温度不宜超过70c I b) 对于出风口温度高于70C的设备，需要增加高温曹示舔识z。对户内直通风道设备，设备温升范围一般为8.C ., 15 C，其他独立风道的设备，设备温升范围一般为5.C ., 10 C.当设备内部热耗分布均句时，设备温升取上限值g当设备热耗分布不均匀时，设备温升取下限值，以保证局部环境温度满足使用要求Fd) 对户外设备，如果具备对太阳直射和其他热源辐射等的防护措施，设备温升范围一般为15.C ., 20 C;如果无相应的防护措施，其外表面温度将会相对较高，设备温升范围一

26、般为5.C ., 10 C. 4.7 器件的温度设备内部器件的工作温度满足其耐温规格是热设计的基本要求.在通常情况下，器件的耐温规格由设备可靠性预计所分解给器件的失效率确定。在设备开发过程中，为降低器件的失效率、提高设备可靠性，在器件选择时应采取一定的降额措施F具体的降额要求参见GJBZ27 1992. 4.8 设备的噪声在实际使用环境中，设备的散热装置所产生的噪声对周围环境造成的影响，应满足GB3096的相关规定。4.9 冗余设计考虑到器件个体差异导致的性能离散、热设计符合度和散热部件失效等因素导致的相对严酷环境，热设计应考虑一定的冗余度，以提高设备的环境适应能力，保证满足可靠性要求。4.1

27、0 其他包括za) 热设计应与硬件、软件、结构、安全、电磁兼容和环境等相关系统设计并行开展F7 GB/T 31845-2015 b) 冷却系统力求结构简单、工作可靠sc) 设备内部单板或热摞应尽量均匀分布sd) 冷却系统应具有可维修性。易损活动部件应便于快速拆甸、清洗和更换。应设置提醒用户维护的标志，减少维护对设备系统运行的影响ze) 强迫凤冷设备的风机选型及配置数量应考虑风机工作点和噪声指标，根据工作环境采用转速控制等降噪措施，满足相应标准的要求，。对散热部件的失效应有实时检测和告警措施，并具有过热保护装置规避安全风险zg) 应考虑材料老化等原因导藏的散热条件恶化的影响，进行适当的冗余设计z

28、u 户外设备应考虑低温启动要求s0 元器件应当按其耐温规格分类布局，耐温规格较高的元器件布置在气流下游，热敏感器件应布置在气流上游，必要时采取热隔离措施。热设计常用计算参见附录A.材料的热物理性质参见附录B。5 常用散锦技术5.1 自然散热5. 1. 1 自然散捕中的传导一般情况下，辑件的热量主要利用接触面以热传导的形式散发。应通过导热界面材料例如导热脏、导热陶援和导热衬垫等减小器件与机壳间的界面热阻。界面热阻的理论计算公式如下:式中2(JTIM-一热界面材料有效综合热阻FkTIM二一热界面材料的导热系数sT一一热界面材料的厚度s。四=工+RcTIM Rc一一热界面材料与接触表面的接触热阻。设

29、计中应遵循以下基本原则za) 尽量减少传热路径上的分界面，缩短传热路径;b) 增大热传导面积，增加与发热器件的接触面积，保证接触面光滑平整gc) 使用合适的导热界面材料，保证足够的接触压力，减少接触热阻。5.1.2 自然散热中的对流5. 1.2.1 计算公式8 当环境风速低于0.2m/s时，可认为是自然对流，对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算zQ=hA(Tw-TA) 式中zQ一一对流换热的热流量，单位为瓦(W)，A一一与热量传递方向垂直的面坝，单位为平方米(m3); Tw一一固体壁面温度，单位为开尔文白，G/T 31845-2015 TA一一流体的温度，单位为开尔文(K), h 一一对流换热系

30、数，自然对流时换热系数在1W/(m2 K) ., 10 W/(m2 K)量级，般不会超过3W/(m2 K) ., 5 W/(m2 K)。5. 1.2.2 自然对潦散热设计的基本原则自然对流散热设计的基本原则如下=a) 确保自然散热设备、单板、散热器之间的空间距离，以减少对流热阻gb) 采用肋片等表面扩展技术增加对流换热表面职Fc) 增加散热物体与外界环境之间的温度差zd) 增加通风孔(通常在顶部开出风孔，底部或侧面开进风孔，形成气流合理风道), e) 有通风孔的自然对流设备，出风面积应大于进风面积3在一定功率和温升限制条件下，自然散热设备的强化散热措施主要是通过有效扩展散热表面坝。常用的方式有

31、Ea) 散热器齿厚和齿数优选gb) 增加表面波纹、凹槽或突起等结构，扩展表面职，c) 采用高效散热器sd) 表面喷涂高效散热涂料。5.1.2.3 垣凤孔设计的基本原则通风孔设计的基本原则如下za) 通风孔的开设要形成有效的自然对流气流通道，进风孔与出风孔应远离，以避免气流短路Eb) 进风孔尽量对准发热元器件Fc) 进出风孔设计要满足电磁兼容要求Ed) 开孔率和当量直径尽可能大，常用开孔形式有E圆孔、方孔、长条孔、十字条孔和异形孔等，e) 出风口面棋与进风口面棋的比值大于1.1，._，1.2. 5. 1.3 自锦散锦中的辐射5.1.3.1 辐射散棉高温器件可以通过热辐射将部分热量传递给机壳，机壳对辐射热的吸收强度和表