電氣產(chǎn)品的通風(fēng)設(shè)計(jì)

【摘 要】隨著電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元件的安裝密度越來越大，為了提高電氣元件和設(shè)備的熱可靠性以及對(duì)各種惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，我們重點(diǎn)分析散熱的計(jì)算及散熱方法，保證它們?cè)谝?guī)定的熱環(huán)境下，能按預(yù)定的方案正常、可靠的工作。

【關(guān)鍵詞】通風(fēng)散熱 元器件排列 散熱方法 散熱計(jì)算

一、引言

隨著電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，為提高電氣元件和設(shè)備的熱可靠性以及對(duì)各種惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，電氣元件和設(shè)備的熱設(shè)計(jì)和熱分析技術(shù)得到了普遍的重視和發(fā)展。若不采取合理的熱設(shè)計(jì)方法，必將嚴(yán)重影響電氣元器件和設(shè)備的可靠性。

二、電氣設(shè)備通風(fēng)散熱的總體設(shè)計(jì)

（一）電氣設(shè)備熱設(shè)計(jì)的目的

電氣設(shè)備熱設(shè)計(jì)的目的是為電氣元器件提供良好的熱環(huán)境，保證它們?cè)谝?guī)定的熱環(huán)境下，能按預(yù)定的方案正常、可靠的工作。電氣設(shè)備必須具有在規(guī)定的使用期內(nèi)，完成所規(guī)定的功能，并以最少的維護(hù)保證其正常工作的功能。

防止電氣元器件的熱失效是熱設(shè)計(jì)的主要目的之一。熱失效是指電氣元器件直接由于熱因素而導(dǎo)致完全失去其電氣功能的一種失效形式。嚴(yán)重的失效，在某種程度上取決于局部溫度場、電氣元器件的工作過程和形式。因此需要正確的確定出熱失效的溫度，而這個(gè)溫度應(yīng)成為熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要判據(jù)，在確定熱設(shè)計(jì)方案時(shí)，電氣元器件的最高允許溫度和最大功耗作為主要的設(shè)計(jì)參數(shù)。掌握熱設(shè)計(jì)的基本原則，正確選擇電氣設(shè)備的冷卻方法，對(duì)提高電氣設(shè)備的熱可靠性至關(guān)重要。

（二）電氣設(shè)備按傳熱機(jī)理分類

按傳熱機(jī)理分類，有如下幾種方法：1.自然冷卻；2.強(qiáng)迫冷卻；3.蒸發(fā)冷卻；4.其他冷卻方法。

這種分類方法可按內(nèi)部傳熱的機(jī)理及熱交換器的形式分得更細(xì)。表1-1所列為電氣設(shè)備外部采用冷卻方法進(jìn)行散熱的特性。

（三）熱設(shè)計(jì)的基本原則

電氣設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻的、保證熱量迅速的傳遞出去的熱流通道，以便滿足熱可靠性的要求。

1.保證熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有良好的可用性（冷卻功能）。要保證設(shè)備內(nèi)部

的元器件均能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作，每個(gè)元器件的配置必須符合熱安裝要求。由于現(xiàn)代電氣設(shè)備的安裝密度在不斷地提高，熱設(shè)計(jì)就必須為它們?nèi)藶榈卦斐呻姎庠O(shè)備中局部冷卻的氣候條件。

2.保證設(shè)備熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性。在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)的

故障率應(yīng)比原器件的故障率低。

3.熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)有良好的適應(yīng)性（相容性）。設(shè)計(jì)中可調(diào)性必須留有

余地，因?yàn)橛械脑O(shè)備在工作一段時(shí)間后，可能會(huì)引起熱損耗或流體流動(dòng)阻力的增加，則散熱量增加，以便無需多大的變更就能增加其散熱能力。

4.熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)有良好的維修性。為了便于測試、維修和更換元件，

設(shè)備中的關(guān)鍵元器件要易于接近和取放。

5.熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)有良好的經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性包括熱控制系統(tǒng)的初次投資

成本，日常運(yùn)行和維修費(fèi)用等。

（四）電氣設(shè)備冷卻方法

電氣設(shè)備的熱設(shè)計(jì)，首先要確定元器件或設(shè)備的冷卻方法。冷卻方法的選擇直接影響元器件或設(shè)備的組裝設(shè)計(jì)、可靠性、質(zhì)量和成本等。要有效地控制元器件或設(shè)備的溫度，必須首先確定它們的發(fā)熱量、與散熱有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸、工作環(huán)境條件及其他特殊要求（如密封、氣壓等）。

目前在一些熱流密度不太高，而溫度要求也不高的電氣設(shè)備中廣泛地采取自然冷卻方法。而在密度流比較大，溫升要求比較高的設(shè)備中，則多數(shù)采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，此種方法與液體冷卻、蒸發(fā)冷卻相比較，具有設(shè)備簡單、成本低的特點(diǎn)。因此，盡管強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大些，但對(duì)要求不十分嚴(yán)格的陸用設(shè)備還是一種非常合適的冷卻方法。

自然冷卻是導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú)作用或兩種以上換熱形式的組合，它的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，成本低。它不需要通風(fēng)機(jī)或泵之類的冷卻劑驅(qū)動(dòng)裝置，避免了因機(jī)械部件的磨損或故障影響系統(tǒng)可靠性的弊病，因此，在考慮冷卻方法時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮自然冷卻方法。

三、電氣設(shè)備通風(fēng)散熱的計(jì)算

（一）自然對(duì)流換熱計(jì)算

自然對(duì)流換熱的強(qiáng)烈程度與流體的種類、溫差、換熱表面的幾何形狀和位置等因素有關(guān)。自然對(duì)流換熱系數(shù)的通用方程為

2-1

式中 ——自然對(duì)流換熱系數(shù)（）；

k——冷卻流體的導(dǎo)熱系數(shù)（）；

D——特征尺寸（按表2-1取）（m）；

C，n——由表2-2確定的系數(shù)（無量綱）；

Gr——格拉曉夫數(shù)（無量綱）；

Pr——普朗特?cái)?shù)（無量綱）。

用空氣進(jìn)行自然冷卻的大多數(shù)電氣元器件或小型設(shè)備（任意方向的幾何尺寸小于600mm），由于尺寸比較小而空氣中的物性參數(shù)在20～200℃范圍內(nèi)其值變化范圍約為±6%，此時(shí)，可用下列簡化公式

=2.5C 2-2

式中 ——熱密度流；

——熱流量（W）；

——換熱面積（）；

C、D——系數(shù)C、n和特征尺寸D由表確定；

——換熱表面與空氣的溫差（℃）。

（二）機(jī)殼通風(fēng)孔面積的計(jì)算

在機(jī)殼上開通風(fēng)孔是為了充分利用冷卻空氣的對(duì)流換熱作用，通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu)形式很多，可根據(jù)散熱與電磁兼容性的要求綜合考慮。由通風(fēng)孔散掉的熱量為

2-3

式中 H——自然冷卻設(shè)備的高度（或進(jìn)、出風(fēng)孔的中心距）（cm）；

——進(jìn)風(fēng)孔或出風(fēng)孔的面積（取較小值）（）；

——設(shè)備內(nèi)部空氣溫度與外部空氣溫度之差（℃）。

開設(shè)通風(fēng)孔的基本準(zhǔn)則：

通風(fēng)孔的開設(shè)要有利于氣流形成有效地自然對(duì)流通道。

進(jìn)風(fēng)孔盡量對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱元器件。

進(jìn)風(fēng)孔與出風(fēng)孔要遠(yuǎn)離，并且要防止氣流短路，應(yīng)開在溫差較大的相應(yīng)位置，進(jìn)風(fēng)孔要盡量低，出風(fēng)孔則應(yīng)盡量高。

進(jìn)風(fēng)孔要注意防塵和電磁泄漏。

四、結(jié)語

在當(dāng)前這個(gè)時(shí)代電氣產(chǎn)品日趨小型化的演變過程中，通風(fēng)散熱的設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著舉足輕重的作用，所以我們用科學(xué)的方法設(shè)計(jì)電氣產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的大趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊世銘. 熱傳學(xué). 北京：高等教育出版社，1987.

[2]D.S.斯坦伯格. 電子設(shè)備冷卻技術(shù). 北京：航空工業(yè)出版社，1989.

[3]帕坦卡著，張政譯. 傳熱及流體流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算. 北京：科學(xué)出版社，1984.

[4]趙悙殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì). 北京：電子工業(yè)出版社，2009.