谈电力电子装置强制风冷散热方式的研究

于爽

摘要：目前的电力系统中，散热是一个很重要的问题，它直接关系到设备的安全性和稳定性，所以必须要改进现有的散热系统，以保证电力系统的正常工作。

关键词：电力系统;稳定性;散热系统

引言：随着电力电子技术的不断发展，现在的电子产品都在小型化、轻型化，但是由于体积变小，散热系统不能很好的配置，电子产品在全速运转中的各种问题，从而造成了系统的散热问题。在多种制冷方法中，强迫空气冷却技术具有良好的性能，具有很好的通用性。因此可以应用于电力电子设备，并且其自身的可靠性非常高。通过对现有空气冷却方式和影响的分析，可以发现，在现有的空气冷却系统中，通过对风冷设计进行改进，可以使空气冷却系统得到更好的应用。

1.对流换热过程分析

在空气冷却系统中，最常用的方式就是对流换热，在这种情况下，热量会通过多个环节来冷却，其中的部件有散热器、管芯、管壳，这些部件之间有一部分的空隙，这些空隙是设备主要的散热环境，当热量通过这些缝隙时，就会将其中的部分热量通过缝隙排出，以确保设备能够正常进行换热操作。更大的散热区具有更大的传热面积，从而具有很好的冷却性能，在实际工作中，散热器的温度会比周围的温度高，从而使空气在表面流动，进而将热量带走。

1.1温度场分布

散热器的表面会出现一层薄薄的空气，在这一层薄薄的空气中，温度相对处于较为稳定的状态，所以这一层空气就像是一层热结界，有了这层空气热结界，散热器就能够有效散发热量，从而达到散热的目的。

1.2流场分布

流场分布和温度场分布几乎一致，两种方法都是在散热器的表面上形成一层薄薄的气流，通过散热器与外界的对流换热。在散热器运行的过程中，会使整体的气流流动速率增加，在这个过程中，散热器会与外界进行热交换，使整个流场的温度维持在一个恒定的范围之内。在大气介质中，这种边界层与温度边界层的厚度基本相同。另外，在流场中有两种情况：层流和湍流。

1.3降低热阻提高对流的方式

对换热的影响较大，因此在现有的散热器制造工艺中，根据这种原理对其进行调节，可以有效地控制散热器。目前散热器的散热方法有很多种，第一种是增大散热器的体积，这样可以有效地增大与外部环境的接触范围，提高热交换效率，还可以采用更多的散热片，这样可以增大散热器的面积，达到高效的散热效果。其次，就是要增加风扇的体积，因为风扇可以增加气流的速度，所以风扇的散热系数会得到很大的提高，达到最好的效果。在相同的容积条件下，通过增大自身的对流，提高传热系数，达到目前的对流效果。所以在目前的散热器中，必须要找到合适的散热方式，才能达到最佳的散热效果，而在目前的应用中，各种设备都是小型化的，所以增大散热器的容积只是一种反其道而行之的做法，并不能真正的发挥出它的威力。在目前的发展过程中，人们更多地关注到了风管的作用，在改进了风机和散热器的基础上，改进了风道，从而使现有的散热器得到了最好的优化，达到了一个新的高度。

2.集中强制风冷散热对比实验

在这次试验中，我们主要采用了两种基本相同的试验装置。加热体采用高功率电阻器，其加热功率可根据调整电压精确设置。采用具有120毫米直径的风机叶片的交流传动式轴流风机来进行制冷。在试验中，不同类型的空气管道都是由厚纸制成。该试验设备的主要参数有：第一，风扇的加热功率200W，散热管的大小为240*140*50（毫米），风扇横截面为“U”型。两个方案的最大差别在于风道障碍物：1方案障碍物垂直于散熱板上方，风速垂直向下;2方案障碍物同样垂直于散热板上方，但是风速垂直向上;3方案障碍物垂直于散热片上方，与散热片保持一定距离。而4方案风道位于散热器侧面，风向垂直。在试验中，采用精确到0.1℃的电子点型温度仪对散热器进行了测量，并在加热元件附近的集热台上选取了测温点，使用汞温度表对周围温度进行测量，准确度达到0.1摄氏度。每次试验大约持续40分钟，每5分钟对散热器的温度和周围的温度进行记录，通过对记录的分析对系统的稳定性进行判定。通过对比，可以看出，第一个方案的热阻要高，第二个方案的热阻要低，在大部分情况下，风道的阻隔会降低风道的传热效果。通过试验可以看出，在散热风扇参数不变的前提下，合理的设计可以有效地减小热阻，一般减小10%-20%，并且还可以通过风道的优化，将目前的散热系统的温度降低5-10℃，所以目前的方案应该着重改进风管并进行一些调整，这样才能更好的满足目前的需求。通过试验还可以看出不同方法的优缺点，主要包括以下几个方面：因为第一个方案中的空气是平行流经散热器的，所以它的散热主要是由层流来完成，在这种情况下，它的散热效果更好。在实施方案二中，通过导流板将空气吹向散热器，尽管可以在某种程度上提高空气流量，但在实际应用中，因为管道的限制，空气流量会更大，所以方案二才能起到更好的作用。第三种方案，虽然气流的速度很快，但是在导流的时候并没有产生湍流，所以在实际应用中，它的散热效果并没有达到预期的程度，所以与第二种方案相比，它的散热效率要低一些。在方案四中，空气直接撞击到散热器的表面，在流场中运转可以有效改变干扰的影响，在使用的过程中，会在散热器的表面产生大量的湍流，从而达到良好的散热效果。通过对其它方案的试验研究，发现在通道内设置阻隔会使空气流速下降，从而导致散热性能下降。

结束语

本文通过分析影响对流换热的多种因素，提出了采用适当的通风管道来改善其散热效果，并从理论上证明了通过增大对流换热来改善其散热效果。散热器和风机的大小和旋转速度的散热区受到设备体积、重量、成本和噪音的制约。在风机、散热器等参数不变的情况下，通过合理的通道结构，可以在流场中引入紊流，增大了区域内的对流，增强了热交换，从而改善了散热器的散热。

参考文献

[1]旷建军，林周布，张文雄，等.电力电子器件强制风冷用新型散热器的研究[J].电力电子技术，2002.