風(fēng)冷設(shè)備內(nèi)部溫度檢測(cè)方法

摘 要：文章使用熱電偶對(duì)風(fēng)冷散熱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法，通過(guò)該檢測(cè)可以快速來(lái)確定產(chǎn)品的風(fēng)道設(shè)計(jì)是否合理，產(chǎn)品哪個(gè)部位出現(xiàn)問(wèn)題，是否是設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的的共性還是單臺(tái)工藝缺失或工人安裝失誤導(dǎo)致的偶然故障，哪種型號(hào)的風(fēng)扇可以勝任冷卻，從而大大提高了效率，降低了成本，并積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷系統(tǒng)；風(fēng)道；溫度傳感器；風(fēng)扇；溫度記錄

中圖分類(lèi)號(hào)：TG156. 4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）33-0058-02

1 散熱系統(tǒng)概述

散熱系統(tǒng)對(duì)機(jī)器設(shè)備能否正常運(yùn)行有著舉足輕重的作用。在工業(yè)中，大到輪船飛機(jī)，小到電子芯片，在運(yùn)作中都伴隨著大量的熱能，故合理的散熱系統(tǒng)尤為重要。

設(shè)備的散熱分為自然散熱和強(qiáng)迫散熱。自然散熱需要設(shè)備在全力運(yùn)行下溫度不超過(guò)70 ？觷C，這就需要設(shè)備有足夠的空間與空氣接觸，或者金屬等導(dǎo)熱性好的媒介接觸。比如低壓變壓器，它的設(shè)計(jì)就包含足夠的空間將熱量傳遞到空氣中，手機(jī)則是通過(guò)石墨將芯片熱量輸送到機(jī)殼，再傳遞到空氣中。而強(qiáng)迫散熱則是通過(guò)外部設(shè)備輔助強(qiáng)制對(duì)發(fā)熱設(shè)備散熱，主要包括風(fēng)冷、水冷、油冷散熱等方式。風(fēng)冷散熱便攜性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要效果相符的風(fēng)扇、適當(dāng)?shù)纳崞骱惋L(fēng)道便可組成風(fēng)冷系統(tǒng)，當(dāng)然散熱效果略差。而水冷散熱需要構(gòu)建水循環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的由水循環(huán)加風(fēng)扇完成，復(fù)雜的則可能要構(gòu)建多級(jí)水循環(huán)相互交互傳遞能量，最終傳遞到外部，由風(fēng)扇或空氣壓縮機(jī)等制冷設(shè)備完成冷卻。油冷亦與水冷相似。而水冷油冷的散熱效果良好，適合給中大型、超大型設(shè)備提供良好的溫度保障。

2 風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于風(fēng)冷設(shè)備的便攜性、廉價(jià)性，所以即便它的散熱效率不高，還是被廣泛運(yùn)用于工業(yè)設(shè)備中。但是由于發(fā)熱設(shè)備分布的不均勻性導(dǎo)致不同的風(fēng)冷設(shè)計(jì)會(huì)有不同的散熱效果。故對(duì)產(chǎn)品風(fēng)道的設(shè)計(jì)要兼顧空間要求、空氣的流量壓力及工人安裝誤差等諸多因素，故增加了產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

一般來(lái)說(shuō)，工程師從以下幾點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)道[1]：一是工作熱量計(jì)算；大體計(jì)算出臺(tái)體滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)作的發(fā)熱量的范圍。二是風(fēng)道壓力流量；在保證不影響產(chǎn)品主要零部件工作性能的情況下，計(jì)算風(fēng)道散熱所需的空氣壓力和流量；三是根據(jù)領(lǐng)導(dǎo)給的空間要求，盡量放大散熱空間，選擇合適的風(fēng)機(jī)參數(shù)。四是軟件模擬；通過(guò)FloWizard軟件來(lái)進(jìn)行風(fēng)道流量模擬，根據(jù)模擬結(jié)果不斷修改風(fēng)道設(shè)計(jì)，直到與預(yù)期的理論設(shè)計(jì)有很好的吻合。

3 風(fēng)冷系統(tǒng)的檢驗(yàn)問(wèn)題

產(chǎn)品完成后一般會(huì)選擇可靠性疲勞測(cè)試法來(lái)判斷產(chǎn)品散熱是否合理。即在不同環(huán)境溫度下對(duì)許多同型號(hào)的產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)，在此期間不斷改變?cè)囼?yàn)條件，當(dāng)每臺(tái)產(chǎn)品都能順利通過(guò)，則判斷該產(chǎn)品的風(fēng)冷設(shè)計(jì)是合理的。這便帶來(lái)了些不確定性因素，一是故障判斷；比如一些產(chǎn)品溫度過(guò)高會(huì)影響其機(jī)械性能，當(dāng)溫度冷卻后，性能又會(huì)慢慢變好，長(zhǎng)久反復(fù)后會(huì)徹底產(chǎn)品零件。對(duì)于這種隱形慢性毛病，很難通過(guò)疲勞試驗(yàn)準(zhǔn)確找到問(wèn)題區(qū)域。二是生產(chǎn)成本的浪費(fèi)；大量樣品的疲勞性試驗(yàn)要花費(fèi)大量的時(shí)間，人力，電能，但最終對(duì)產(chǎn)品冷卻問(wèn)題的把握不一定準(zhǔn)確、快速，這便使得付出和得到呈現(xiàn)失衡。

為確保更好更快地完成風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的檢測(cè)，適應(yīng)產(chǎn)業(yè)快節(jié)奏的發(fā)展，我們必須尋找新的檢測(cè)方法。

4 風(fēng)冷設(shè)備溫度的檢驗(yàn)方法

通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐證實(shí)，在成品測(cè)試中添加溫度檢測(cè)傳感器，可以大大縮減可靠性試驗(yàn)的時(shí)間，節(jié)約生產(chǎn)成本。

4.1 風(fēng)道檢驗(yàn)方法

該方法即為在風(fēng)道內(nèi)部粘貼溫度傳感器，外部用儀器監(jiān)測(cè)，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中可以準(zhǔn)確看到每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度變化。當(dāng)然，由于現(xiàn)在的工業(yè)產(chǎn)品越來(lái)越趨于小型化，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中留有的空間越來(lái)越小，所以傳感器的尺寸要求越來(lái)越重要。對(duì)于空間足夠大的設(shè)備，測(cè)試用傳感器可以有很多選擇，如熱電偶、熱電阻、IC溫度傳感器等[2]。但如果空間很小，那就需要尋找極其細(xì)小的傳感器來(lái)做試驗(yàn)。在此以熱電偶為例。

熱電偶價(jià)格較為低廉，在市面上，常見(jiàn)的最細(xì)熱電偶直徑可小于1 mm，價(jià)格大概在8元/m左右，熱電偶外部參考設(shè)備日本橫河溫度記錄儀以及高精度的美國(guó)Omega熱電偶傳感器，如圖1（a）（b）所示，傳感器實(shí)際測(cè)試誤差在0.5 ？觷C以?xún)?nèi)。

現(xiàn)行最細(xì)的熱電偶直徑可低于0.2 mm，如縫衣線(xiàn)一般，當(dāng)然價(jià)格也很昂貴。

首先選出可能發(fā)熱的部位，相隔一定距離接連安裝兩到三個(gè)熱電偶。測(cè)試過(guò)程中，觀察各個(gè)點(diǎn)的溫度變化，對(duì)溫度較高的測(cè)量點(diǎn)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，有些部位如果溫度長(zhǎng)期較低，便可略去不考慮，而有些點(diǎn)的溫度如果具有標(biāo)桿作用則繼續(xù)保留。另外，根據(jù)產(chǎn)品的大小及設(shè)計(jì)特征制定了一套針對(duì)各風(fēng)冷臺(tái)體熱電偶安裝的細(xì)則，以作為同一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。某一產(chǎn)品內(nèi)部零件熱電偶安裝位置指示圖如圖2所示。在安裝熱電偶的過(guò)程中必須注意對(duì)熱電偶感溫觸頭及臺(tái)體內(nèi)部熱電偶部分與臺(tái)體整個(gè)接觸面的絕緣，以免設(shè)備短路等意外故障導(dǎo)致對(duì)溫度記錄儀的損毀[3]。

設(shè)置好溫度記錄儀，記錄產(chǎn)品在不同量級(jí)，不同工作條件下工作到飽和溫度的過(guò)程，測(cè)試樣如圖3所示。圖3（b）所示為某產(chǎn)品開(kāi)始工作溫度到飽和溫度的數(shù)據(jù)圖，圖中溫度較高的四條線(xiàn)（褐、黃、草綠、紫）為產(chǎn)品四個(gè)方向上的溫度，溫度飽和后基本呈現(xiàn)一致性，即產(chǎn)品四個(gè)方向溫差不大，說(shuō)明該產(chǎn)品的工藝及工人安裝都比較均勻，而總體溫度在65 ℃左右，說(shuō)明工程師設(shè)計(jì)的產(chǎn)品發(fā)熱性能和風(fēng)道通風(fēng)效果良好，該產(chǎn)品為性能良好的合格品。圖3（c）所示為某產(chǎn)品開(kāi)始工作到溫度飽和狀態(tài)的數(shù)據(jù)圖，圖中所示的溫度較高的六條線(xiàn)（黃、粉、褐、紫、天藍(lán)、草綠）分別為產(chǎn)品四個(gè)方向上的溫度。其中黃色溫度線(xiàn)明顯偏高，高于其他點(diǎn)20 ℃以上，并接近于產(chǎn)品的溫度警戒線(xiàn)110 ℃，其他五個(gè)點(diǎn)溫度走勢(shì)集中于75 ℃左右，而粉線(xiàn)和天藍(lán)線(xiàn)在部分時(shí)間段有跳水的現(xiàn)象，由上述現(xiàn)象可以初步判斷：工程師在產(chǎn)品發(fā)熱性能和風(fēng)道通風(fēng)上大體沒(méi)有什么問(wèn)題，而粉色和天藍(lán)線(xiàn)兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能由于測(cè)溫觸點(diǎn)松動(dòng)導(dǎo)致記錄異常，黃線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處是否可能因產(chǎn)品工藝偏差或工人安裝偏差導(dǎo)致一邊風(fēng)道過(guò)窄，空氣流量變小，引起溫度升高。

如果圖3（c）中黃線(xiàn)溫度未飽和，而是持續(xù)上升，那就必須立即停止機(jī)器工作，拆機(jī)檢查原因。

通過(guò)上述分析可見(jiàn)用溫度記錄儀監(jiān)測(cè)產(chǎn)品工作的辦法便捷高效。一方面，可以大體判斷出一些異常問(wèn)題的位置和原因，幫助工程師有的放矢地去解決問(wèn)題，并為后續(xù)產(chǎn)品積累經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)；另一方面提高了工作效率，不用再進(jìn)行大規(guī)模的產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)來(lái)測(cè)試風(fēng)道效果；再有就是在產(chǎn)品過(guò)高溫前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免了機(jī)器的損毀，及時(shí)修理，減小損失。在實(shí)際工作中檢測(cè)內(nèi)部溫度，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)高溫度，檢查修正，防止產(chǎn)品損壞。造成浪費(fèi)。

4.2 風(fēng)扇選擇方法

風(fēng)道的測(cè)試是通過(guò)對(duì)多臺(tái)同型號(hào)的產(chǎn)品在同等環(huán)境下的測(cè)試來(lái)比較發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的。而對(duì)于提供冷卻的風(fēng)扇，同樣需要嚴(yán)格的測(cè)試。

好的風(fēng)扇機(jī)械能轉(zhuǎn)換率高，噪音小。特別是大噸位風(fēng)冷的設(shè)備，對(duì)高性能風(fēng)扇的選擇尤為迫切。多家廠(chǎng)商同型號(hào)風(fēng)扇對(duì)同一臺(tái)設(shè)備散熱的溫度記錄見(jiàn)表1，表中通道指熱電偶位置，溫度都為除去當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度的相對(duì)升溫。從表中得知1號(hào)風(fēng)機(jī)的散熱效果最好。

5 結(jié) 論

風(fēng)冷系統(tǒng)的檢測(cè)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行起到保障作用，其中，用實(shí)時(shí)溫度測(cè)量監(jiān)測(cè)的辦法有助于快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)排除機(jī)器故障，節(jié)省人力物力成本。而對(duì)合適的風(fēng)扇的選擇則能保障風(fēng)冷系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溫度檢測(cè)的有的放矢，并積累大量經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 許國(guó)良，鄔田華，王曉墨，等.工程傳熱學(xué)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2015，115.

[2] 陳杰，黃鴻.傳感與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.[3]戴焯.傳 感與檢測(cè)技術(shù)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.