淺談電力電子裝置強制風(fēng)冷散熱方式的研究

山東華宇工學(xué)院 郭 云

電力是當前經(jīng)常使用的一種能源，電子設(shè)備在人們的生產(chǎn)以及生活中占有的重要性越來越強，是實現(xiàn)我國進步的關(guān)鍵所在，在當前的電力設(shè)備之中，散熱是非常關(guān)鍵的問題，直接影響設(shè)備的安全以及影響設(shè)備的穩(wěn)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(xiàn)電力電子設(shè)備的有效運行，因此本文主要對電力電子裝置強制風(fēng)冷散熱方式進行研究，希望對相關(guān)從業(yè)人員有一定的參考。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，如今的設(shè)備正朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展，但體積越來越小，散熱裝置無法有效布置，導(dǎo)致目前的散熱問題非常大，導(dǎo)致電子設(shè)備本身在全功率運行和工作時出現(xiàn)故障，甚至出現(xiàn)故障，針對這種現(xiàn)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(fēng)冷本身性能好，復(fù)雜度中等，所以可以用在電力電子設(shè)備中，而且強制風(fēng)冷本身的可靠性很強?？捎糜诙喾N復(fù)雜情況，通用性強。一般情況下，采用風(fēng)冷散熱的方式有很多種。在散熱過程中，判斷當前風(fēng)冷的形式和效果，可以了解到在目前的風(fēng)冷設(shè)計中，改進風(fēng)冷通道的設(shè)計可以有效的實現(xiàn)目前的風(fēng)冷設(shè)計，從而提高風(fēng)冷效果。

1 對流換熱過程分析

在風(fēng)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(fēng)冷的散熱系統(tǒng)之中，熱量會經(jīng)過幾個環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)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(huán)境，在熱量經(jīng)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(dǎo)工作能夠穩(wěn)定的進行，所以針對這樣的現(xiàn)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(xiàn)當前的強制風(fēng)冷散熱過程，其中熱力學(xué)原理如下，在熱量置環(huán)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(shù)設(shè)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(huán)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(xué)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(jié)論，如果對流交換熱系數(shù)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(huán)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(zhì)的槍溫度流場之中，溫度和流速分布有著較為明顯的規(guī)律。

1.1 溫度場分布

散熱器在于空氣之間發(fā)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(dǎo)致了散熱器表面的溫度會發(fā)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(fā)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(fā)生熱量的傳遞，最終降溫工作醫(yī)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(fā)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(nèi)部的溫度保持在一定的范圍內(nèi)，散熱功能也是基于這種情況產(chǎn)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(zhì)，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(tài)。

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(diào)整，從而實現(xiàn)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(shù)量的使用，這樣可以增加散熱器的散熱面積，從而實現(xiàn)有效的散熱。

其次就是采用尺寸更大的風(fēng)機，風(fēng)機本身可以提升空氣的流動速度，因此使用風(fēng)機可以極大增強散熱的系數(shù)，從而實現(xiàn)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(shù)，實現(xiàn)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(yōu)劣進行對比，找出適合當前散熱的方式，才可以實現(xiàn)對溫度的控制，上述方法的優(yōu)劣主要有：增加散熱器會導(dǎo)致設(shè)備的整體重量增咋，在當前的使用之中，所有的設(shè)備都朝著小體積化發(fā)展，因此加大散熱器的體積是一種逆向的發(fā)展，對于實際的發(fā)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(dǎo)致散熱效果下降。因此在當前的發(fā)展中，人們開始注重風(fēng)道對于散熱的幫助，在改善風(fēng)扇和散熱器的同時，對風(fēng)道進行改良，通過這樣的方式，實現(xiàn)了對當前的散熱器的有效優(yōu)化，實現(xiàn)了散熱器的進步。

2 集中強制風(fēng)冷散熱對比實驗

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

四種方案主要的差異在風(fēng)道阻擋物上，其中1方案阻擋物本在散熱片垂直上方，且風(fēng)速為垂直向下吹，2方案阻擋物本在散熱片垂直上方，且風(fēng)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(fēng)速為垂直向下吹以及協(xié)防向下，四方案則是將風(fēng)道放置于散熱器的側(cè)方，風(fēng)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(fā)熱元件的散熱器臺上選擇測溫點。環(huán)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(huán)境溫度。根據(jù)記錄可以判斷系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。最后，將穩(wěn)態(tài)散熱器溫度和環(huán)境溫度代入公式2，計算散熱器到環(huán)境的熱阻。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)在當前的使用中，四種散熱系統(tǒng)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(shù)的情況下，在風(fēng)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(fēng)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(xiàn)當前的散熱需求。

通過實驗的方式，可以發(fā)現(xiàn)在散熱器風(fēng)扇的參數(shù)是恒定的情況下，合理使用戶風(fēng)扇的設(shè)計能夠有效的減少熱阻效應(yīng)，一般減少的幅度在10%到20%之間，同時也能夠通過風(fēng)道的優(yōu)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(shè)計中，需要注重對于風(fēng)道的改良，同時做好其他方面的設(shè)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(fā)現(xiàn)幾種方案之間的優(yōu)劣，主要的內(nèi)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(xiàn)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(fēng)量，但是在實際的運行之中。造成了風(fēng)量的擾動，這就讓風(fēng)量在使用的過程中出現(xiàn)了紊流的現(xiàn)象，因此導(dǎo)熱的效果非常好，在使用的時候，由于風(fēng)道的約束，導(dǎo)致風(fēng)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(fēng)道的引導(dǎo)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(fā)現(xiàn)本身的散熱效果并達到預(yù)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(qū)域，因此散熱的效果非常好。

從其他方案的實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)道中增加屏障會降低風(fēng)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(fēng)道設(shè)計，在流場中引入擾動，可以提高散熱效果。風(fēng)道設(shè)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(shè)計中，往往是在引導(dǎo)氣流形成擾動時造成風(fēng)速損失。因此，應(yīng)考慮權(quán)衡以實現(xiàn)最佳設(shè)計。

3 實驗結(jié)論

本文在對影響對流傳熱的各種因素進行分析的基礎(chǔ)上，提出了通過合理的風(fēng)道設(shè)計來提高散熱效果的方法，得出以下結(jié)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(fēng)扇尺寸和轉(zhuǎn)速的散熱面積的增加受到設(shè)備體積、重量、成本和噪音的限制。當散熱器和風(fēng)扇參數(shù)一定時，通過合理的風(fēng)道設(shè)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(fēng)道設(shè)計原則如下：首先，引導(dǎo)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(fēng)頭損失過大，流量下降過多，以免降低散熱效果。在實際設(shè)計中，這兩個方面往往存在矛盾，應(yīng)權(quán)衡考慮，以求達到最佳。