淺談電力電子裝置強制風冷散熱方式的研究

山東華宇工學院 郭 云

電力是當前經常使用的一種能源，電子設備在人們的生產以及生活中占有的重要性越來越強，是實現我國進步的關鍵所在，在當前的電力設備之中，散熱是非常關鍵的問題，直接影響設備的安全以及影響設備的穩定此案例傳輸，因此需要有效改善當前散熱方式，才可以實現電力電子設備的有效運行，因此本文主要對電力電子裝置強制風冷散熱方式進行研究，希望對相關從業人員有一定的參考。

隨著電力電子技術的發展，如今的設備正朝著小型化、輕量化的方向發展，但體積越來越小，散熱裝置無法有效布置，導致目前的散熱問題非常大，導致電子設備本身在全功率運行和工作時出現故障，甚至出現故障，針對這種現象，做好散熱工作是很有必要的。在眾多的散熱方式中，強制風冷本身性能好，復雜度中等，所以可以用在電力電子設備中，而且強制風冷本身的可靠性很強。可用于多種復雜情況，通用性強。一般情況下，采用風冷散熱的方式有很多種。在散熱過程中，判斷當前風冷的形式和效果，可以了解到在目前的風冷設計中，改進風冷通道的設計可以有效的實現目前的風冷設計，從而提高風冷效果。

1 對流換熱過程分析

在風冷散熱之中，最常見的一種形式就是對流換熱過程，在強制風冷的散熱系統之中，熱量會經過幾個環節，從而實現降溫的工作，在這個過程中，使用的主要元器件有散熱器，管芯和管殼，這些部分之間連接處存在一定的空腔，這些空腔才是散熱的主要環境，在熱量經過這幾個部分之后，會逐漸置換自身的一些熱量，從而保證當前的熱傳導工作能夠穩定的進行，所以針對這樣的現象，在當前的散熱之中，需要做好當前的強制散熱，才可以保證熱量之間的互相交流，實現當前的強制風冷散熱過程，其中熱力學原理如下，在熱量置環的過程中其中將散熱器在熱量傳遞過程中的單位時間成為P，對流換熱系數設置為a，散熱器與空氣接觸的面積則是為A，散熱器表面的平均溫度為Ts，環境溫度主要為Ta。因此可以得出對流交換過程方程p=aA（Ts-Ta），其中一個散熱器的熱力學第三定理可以用其熱阻來表示，=（Ts-Ta）/p，熱阻較小的散熱器具有更好的散熱能力，因此可以得出=1/（aA），因此可以得出結論，如果對流交換熱系數a與換熱面積A越大，則熱阻越小，就表示其散熱的能力更強。所以在上述的式子之中，可以了解到，較大的散熱面積具備較大的換熱面積，因此本身的降溫能力非常強，在實際運行的過程中，散熱器溫度會高于環境的溫度，這個時候空氣在表面進行流動，進而帶走熱量。原理散熱器表面的流速為v空氣為介質的槍溫度流場之中，溫度和流速分布有著較為明顯的規律。

1.1 溫度場分布

散熱器在于空氣之間發生傳熱的時候，會在散熱器表面形成一層較薄的空氣，這就導致了散熱器表面的溫度會發生非常面明顯的變化，在這一層較薄的空氣之外，則是溫度不會發生變化，因此這層空氣可以視作是熱邊界層，有著這層空氣，散熱器之間才會發生熱量的傳遞，最終降溫工作醫療這部分的功能進行。

1.2 流場分布

流場的分布和溫度場分布幾乎一致，二者都是在散熱器的表面形成一層較薄的空氣，這層空氣有散熱器與外界交換的熱量，在運行的過程中，會因為散熱器表面的粘連作用，讓空氣的流速發生一定的變化，在這種變化的情況下，散熱器會與外界進行熱量的置換，從而流場內部的溫度保持在一定的范圍內，散熱功能也是基于這種情況產生作用的，在這一層空氣之中，速度存在明顯的邊界，可以將其稱之為速度邊界層。對于空氣的介質，該邊界層和溫度邊界層厚度基本保持一致。而且在流場之中，存在層流以及紊流兩種狀態。

1.3 降低熱阻提高對流的方式

通過前兩種的探究，了解了當前在遇到對換熱的時候，影響對換熱的主要因素，因此可以針對這樣的原理，在當前的散熱器制作過程中，對散熱器進行調整，從而實現對散熱器的有效控制。在當前的散熱器中，想要提升散熱的途徑主要有以下幾種方式：

首先是加大散熱器的尺寸，這樣能夠有效擴大與外界的接觸面積，也可以提升熱量的交換，甚至在散熱的時候，可以加強對散熱翅片數量的使用，這樣可以增加散熱器的散熱面積，從而實現有效的散熱。

其次就是采用尺寸更大的風機，風機本身可以提升空氣的流動速度，因此使用風機可以極大增強散熱的系數，從而實現有效的散熱。

最后就是在流場中引入紊流，這樣可以在體積相似的情況下，加大自身的對流量，從而增加換熱系數，實現當前的對流工作。

因此在當前的散熱器中，需要對上述的幾種情況優劣進行對比，找出適合當前散熱的方式，才可以實現對溫度的控制，上述方法的優劣主要有：增加散熱器會導致設備的整體重量增咋，在當前的使用之中，所有的設備都朝著小體積化發展，因此加大散熱器的體積是一種逆向的發展，對于實際的發展起不到任何的作用，因此在一定的體積和重量的限制下，當前增加散熱器會盡量減少散熱片的體積和重量，但是這種方式又會導致散熱效果下降。因此在當前的發展中，人們開始注重風道對于散熱的幫助，在改善風扇和散熱器的同時，對風道進行改良，通過這樣的方式，實現了對當前的散熱器的有效優化，實現了散熱器的進步。

2 集中強制風冷散熱對比實驗

在本次的實驗中，主要設置了四種實驗裝置，該設備大致相似。發熱體采用固定在鋁合金型材散熱器上的大功率電阻，其發熱功率可通過調節電壓準確設定。使用風扇葉片直徑為120mm的交流驅動軸流風扇進行冷卻。在實驗中，各種風管都是用厚紙做的。實驗裝置主要參數如下：首先，風機風量為3m3/min，加熱功率為200W，散熱器尺寸為240*140*50（mm），風機截面散熱器截面是連續的“U”形。

四種方案主要的差異在風道阻擋物上，其中1方案阻擋物本在散熱片垂直上方，且風速為垂直向下吹，2方案阻擋物本在散熱片垂直上方，且風速為垂直向下吹以及斜方向向下，3方案阻擋物本在散熱片垂直上方，且留有一定的距離，且風速為垂直向下吹以及協防向下，四方案則是將風道放置于散熱器的側方，風垂直向下。

實驗中用精度為0.1℃的電子點式溫度計測量散熱器的溫度，在靠近發熱元件的散熱器臺上選擇測溫點。環境溫度采用水銀溫度計測量，精度為0.1℃。每個實驗進行約40min。每5min記錄一次散熱器溫度和環境溫度。根據記錄可以判斷系統是否達到穩定狀態。最后，將穩態散熱器溫度和環境溫度代入公式2，計算散熱器到環境的熱阻。

通過對比可以發現在當前的使用中，四種散熱系統的效果進行充分的對比，其中熱阻較小則是說明了當前的散熱效果比較好，熱阻較大則是說明了當前的效果比較差，所以通過對幾種方案進行比較，可以了解到，當前方按照之中，總共有四種方案，其中方案1和方案3的熱阻比較大，方案2和方案4熱阻比較小，因此可以得出，方案2和方案4的散熱效果較為良好，在大多數的情況下，在風道之中增加阻擋會讓祖熱的效果變差，但是只有一種情況下愛，效果會有所改善，那就是在使用方案4的風道之中，這樣的方式可以極大改善當前存在的問題，保證當前的散熱效果有一定的提升，從而實現當前的散熱需求。

通過實驗的方式，可以發現在散熱器風扇的參數是恒定的情況下，合理使用戶風扇的設計能夠有效的減少熱阻效應，一般減少的幅度在10%到20%之間，同時也能夠通過風道的優化，在當前的散熱器中，讓溫度降低5到10攝氏度左右，因此在當前的設計中，需要注重對于風道的改良，同時做好其他方面的設置，能夠讓散熱器的實用性更強，能夠完成當前的使用。

通過實驗進行對比，可以發現幾種方案之間的優劣，主要的內容如下：

首先是方案1，由于方案1本身的氣流平行與散熱器表面流過，因此流暢主要是依靠層流的方式實現散熱功能，在這樣的情況下，散熱本身的效果比較良好。

在方案2之中，氣流被擋板引入沖向散熱器，這樣雖然能夠在一定的程度上增加風量，但是在實際的運行之中。造成了風量的擾動，這就讓風量在使用的過程中出現了紊流的現象，因此導熱的效果非常好，在使用的時候，由于風道的約束，導致風量本身會變強，這也是方案2使用的效果比較好的主要原因。

方案3則是空氣流速比較高，但是在風道的引導過程之中并不能有效的形成紊流，因此在實際的使用過程中，可以發現本身的散熱效果并達到預期，因此和方案2進行比較，其散熱效果相對較差。

方案4之中，氣流直接沖擊散熱器的表面，在流場之中進行運行，可以很好的改動擾動的效果，在使用的時候，會在散熱器的表面形成廣泛的紊流區域，因此散熱的效果非常好。

從其他方案的實驗結果可以發現，在風道中增加屏障會降低風速，因此散熱效果變差。但是，屏障也可以擾亂流場并形成紊流，從而提高散熱效果。以上實驗表明，通過合理的風道設計，在流場中引入擾動，可以提高散熱效果。風道設計的另一個原則也可以概括，就是不要過多的阻擋空氣流動，減少過多的流量，以免降低散熱效果。在實際設計中，往往是在引導氣流形成擾動時造成風速損失。因此，應考慮權衡以實現最佳設計。

3 實驗結論

本文在對影響對流傳熱的各種因素進行分析的基礎上，提出了通過合理的風道設計來提高散熱效果的方法，得出以下結論：第一，理論分析表明可以提高散熱效果通過增加對流傳熱。散熱器和風扇尺寸和轉速的散熱面積的增加受到設備體積、重量、成本和噪音的限制。當散熱器和風扇參數一定時，通過合理的風道設計，在流場中引入湍流，增加局部對流，加強熱交換，提高散熱效果。其次，合理的風道設計原則如下：首先，引導氣流沖擊散熱器表面引起擾動，形成湍流，加強散熱效果。其次，不要使風頭損失過大，流量下降過多，以免降低散熱效果。在實際設計中，這兩個方面往往存在矛盾，應權衡考慮，以求達到最佳。