談電力電子裝置強制風冷散熱方式的研究

于爽

摘要：目前的電力系統中，散熱是一個很重要的問題，它直接關系到設備的安全性和穩定性，所以必須要改進現有的散熱系統，以保證電力系統的正常工作。

關鍵詞：電力系統;穩定性;散熱系統

引言：隨著電力電子技術的不斷發展，現在的電子產品都在小型化、輕型化，但是由于體積變小，散熱系統不能很好的配置，電子產品在全速運轉中的各種問題，從而造成了系統的散熱問題。在多種制冷方法中，強迫空氣冷卻技術具有良好的性能，具有很好的通用性。因此可以應用于電力電子設備，并且其自身的可靠性非常高。通過對現有空氣冷卻方式和影響的分析，可以發現，在現有的空氣冷卻系統中，通過對風冷設計進行改進，可以使空氣冷卻系統得到更好的應用。

1.對流換熱過程分析

在空氣冷卻系統中，最常用的方式就是對流換熱，在這種情況下，熱量會通過多個環節來冷卻，其中的部件有散熱器、管芯、管殼，這些部件之間有一部分的空隙，這些空隙是設備主要的散熱環境，當熱量通過這些縫隙時，就會將其中的部分熱量通過縫隙排出，以確保設備能夠正常進行換熱操作。更大的散熱區具有更大的傳熱面積，從而具有很好的冷卻性能，在實際工作中，散熱器的溫度會比周圍的溫度高，從而使空氣在表面流動，進而將熱量帶走。

1.1溫度場分布

散熱器的表面會出現一層薄薄的空氣，在這一層薄薄的空氣中，溫度相對處于較為穩定的狀態，所以這一層空氣就像是一層熱結界，有了這層空氣熱結界，散熱器就能夠有效散發熱量，從而達到散熱的目的。

1.2流場分布

流場分布和溫度場分布幾乎一致，兩種方法都是在散熱器的表面上形成一層薄薄的氣流，通過散熱器與外界的對流換熱。在散熱器運行的過程中，會使整體的氣流流動速率增加，在這個過程中，散熱器會與外界進行熱交換，使整個流場的溫度維持在一個恒定的范圍之內。在大氣介質中，這種邊界層與溫度邊界層的厚度基本相同。另外，在流場中有兩種情況：層流和湍流。

1.3降低熱阻提高對流的方式

對換熱的影響較大，因此在現有的散熱器制造工藝中，根據這種原理對其進行調節，可以有效地控制散熱器。目前散熱器的散熱方法有很多種，第一種是增大散熱器的體積，這樣可以有效地增大與外部環境的接觸范圍，提高熱交換效率，還可以采用更多的散熱片，這樣可以增大散熱器的面積，達到高效的散熱效果。其次，就是要增加風扇的體積，因為風扇可以增加氣流的速度，所以風扇的散熱系數會得到很大的提高，達到最好的效果。在相同的容積條件下，通過增大自身的對流，提高傳熱系數，達到目前的對流效果。所以在目前的散熱器中，必須要找到合適的散熱方式，才能達到最佳的散熱效果，而在目前的應用中，各種設備都是小型化的，所以增大散熱器的容積只是一種反其道而行之的做法，并不能真正的發揮出它的威力。在目前的發展過程中，人們更多地關注到了風管的作用，在改進了風機和散熱器的基礎上，改進了風道，從而使現有的散熱器得到了最好的優化，達到了一個新的高度。

2.集中強制風冷散熱對比實驗

在這次試驗中，我們主要采用了兩種基本相同的試驗裝置。加熱體采用高功率電阻器，其加熱功率可根據調整電壓精確設置。采用具有120毫米直徑的風機葉片的交流傳動式軸流風機來進行制冷。在試驗中，不同類型的空氣管道都是由厚紙制成。該試驗設備的主要參數有：第一，風扇的加熱功率200W，散熱管的大小為240*140*50（毫米），風扇橫截面為“U”型。兩個方案的最大差別在于風道障礙物：1方案障礙物垂直于散熱板上方，風速垂直向下;2方案障礙物同樣垂直于散熱板上方，但是風速垂直向上;3方案障礙物垂直于散熱片上方，與散熱片保持一定距離。而4方案風道位于散熱器側面，風向垂直。在試驗中，采用精確到0.1℃的電子點型溫度儀對散熱器進行了測量，并在加熱元件附近的集熱臺上選取了測溫點，使用汞溫度表對周圍溫度進行測量，準確度達到0.1攝氏度。每次試驗大約持續40分鐘，每5分鐘對散熱器的溫度和周圍的溫度進行記錄，通過對記錄的分析對系統的穩定性進行判定。通過對比，可以看出，第一個方案的熱阻要高，第二個方案的熱阻要低，在大部分情況下，風道的阻隔會降低風道的傳熱效果。通過試驗可以看出，在散熱風扇參數不變的前提下，合理的設計可以有效地減小熱阻，一般減小10%-20%，并且還可以通過風道的優化，將目前的散熱系統的溫度降低5-10℃，所以目前的方案應該著重改進風管并進行一些調整，這樣才能更好的滿足目前的需求。通過試驗還可以看出不同方法的優缺點，主要包括以下幾個方面：因為第一個方案中的空氣是平行流經散熱器的，所以它的散熱主要是由層流來完成，在這種情況下，它的散熱效果更好。在實施方案二中，通過導流板將空氣吹向散熱器，盡管可以在某種程度上提高空氣流量，但在實際應用中，因為管道的限制，空氣流量會更大，所以方案二才能起到更好的作用。第三種方案，雖然氣流的速度很快，但是在導流的時候并沒有產生湍流，所以在實際應用中，它的散熱效果并沒有達到預期的程度，所以與第二種方案相比，它的散熱效率要低一些。在方案四中，空氣直接撞擊到散熱器的表面，在流場中運轉可以有效改變干擾的影響，在使用的過程中，會在散熱器的表面產生大量的湍流，從而達到良好的散熱效果。通過對其它方案的試驗研究，發現在通道內設置阻隔會使空氣流速下降，從而導致散熱性能下降。

結束語

本文通過分析影響對流換熱的多種因素，提出了采用適當的通風管道來改善其散熱效果，并從理論上證明了通過增大對流換熱來改善其散熱效果。散熱器和風機的大小和旋轉速度的散熱區受到設備體積、重量、成本和噪音的制約。在風機、散熱器等參數不變的情況下，通過合理的通道結構，可以在流場中引入紊流，增大了區域內的對流，增強了熱交換，從而改善了散熱器的散熱。

參考文獻

[1]曠建軍，林周布，張文雄，等.電力電子器件強制風冷用新型散熱器的研究[J].電力電子技術，2002.