談電力電子裝置強制風(fēng)冷散熱方式的研究

于爽

摘要：目前的電力系統(tǒng)中，散熱是一個很重要的問題，它直接關(guān)系到設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，所以必須要改進現(xiàn)有的散熱系統(tǒng)，以保證電力系統(tǒng)的正常工作。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);穩(wěn)定性;散熱系統(tǒng)

引言：隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的電子產(chǎn)品都在小型化、輕型化，但是由于體積變小，散熱系統(tǒng)不能很好的配置，電子產(chǎn)品在全速運轉(zhuǎn)中的各種問題，從而造成了系統(tǒng)的散熱問題。在多種制冷方法中，強迫空氣冷卻技術(shù)具有良好的性能，具有很好的通用性。因此可以應(yīng)用于電力電子設(shè)備，并且其自身的可靠性非常高。通過對現(xiàn)有空氣冷卻方式和影響的分析，可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的空氣冷卻系統(tǒng)中，通過對風(fēng)冷設(shè)計進行改進，可以使空氣冷卻系統(tǒng)得到更好的應(yīng)用。

1.對流換熱過程分析

在空氣冷卻系統(tǒng)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(huán)節(jié)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(shè)備主要的散熱環(huán)境，當(dāng)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(shè)備能夠正常進行換熱操作。更大的散熱區(qū)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(xiàn)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(wěn)定的狀態(tài)，所以這一層空氣就像是一層熱結(jié)界，有了這層空氣熱結(jié)界，散熱器就能夠有效散發(fā)熱量，從而達(dá)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(nèi)。在大氣介質(zhì)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(xiàn)有的散熱器制造工藝中，根據(jù)這種原理對其進行調(diào)節(jié)，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(huán)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(dá)到高效的散熱效果。其次，就是要增加風(fēng)扇的體積，因為風(fēng)扇可以增加氣流的速度，所以風(fēng)扇的散熱系數(shù)會得到很大的提高，達(dá)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(shù)，達(dá)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(dá)到最佳的散熱效果，而在目前的應(yīng)用中，各種設(shè)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(fā)揮出它的威力。在目前的發(fā)展過程中，人們更多地關(guān)注到了風(fēng)管的作用，在改進了風(fēng)機和散熱器的基礎(chǔ)上，改進了風(fēng)道，從而使現(xiàn)有的散熱器得到了最好的優(yōu)化，達(dá)到了一個新的高度。

2.集中強制風(fēng)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(jù)調(diào)整電壓精確設(shè)置。采用具有120毫米直徑的風(fēng)機葉片的交流傳動式軸流風(fēng)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(shè)備的主要參數(shù)有：第一，風(fēng)扇的加熱功率200W，散熱管的大小為240*140*50（毫米），風(fēng)扇橫截面為“U”型。兩個方案的最大差別在于風(fēng)道障礙物：1方案障礙物垂直于散熱板上方，風(fēng)速垂直向下;2方案障礙物同樣垂直于散熱板上方，但是風(fēng)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(fēng)道位于散熱器側(cè)面，風(fēng)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(zhǔn)確度達(dá)到0.1攝氏度。每次試驗大約持續(xù)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(tǒng)的穩(wěn)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(fēng)道的阻隔會降低風(fēng)道的傳熱效果。通過試驗可以看出，在散熱風(fēng)扇參數(shù)不變的前提下，合理的設(shè)計可以有效地減小熱阻，一般減小10%-20%，并且還可以通過風(fēng)道的優(yōu)化，將目前的散熱系統(tǒng)的溫度降低5-10℃，所以目前的方案應(yīng)該著重改進風(fēng)管并進行一些調(diào)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(yōu)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(jīng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)流的時候并沒有產(chǎn)生湍流，所以在實際應(yīng)用中，它的散熱效果并沒有達(dá)到預(yù)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(zhuǎn)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(chǎn)生大量的湍流，從而達(dá)到良好的散熱效果。通過對其它方案的試驗研究，發(fā)現(xiàn)在通道內(nèi)設(shè)置阻隔會使空氣流速下降，從而導(dǎo)致散熱性能下降。

結(jié)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(dāng)?shù)耐L(fēng)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(fēng)機的大小和旋轉(zhuǎn)速度的散熱區(qū)受到設(shè)備體積、重量、成本和噪音的制約。在風(fēng)機、散熱器等參數(shù)不變的情況下，通過合理的通道結(jié)構(gòu)，可以在流場中引入紊流，增大了區(qū)域內(nèi)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(fēng)冷用新型散熱器的研究[J].電力電子技術(shù)，2002.