山东华宇工学院 郭 云

电力是当前经常使用的一种能源，电子设备在人们的生产以及生活中占有的重要性越来越强，是实现我国进步的关键所在，在当前的电力设备之中，散热是非常关键的问题，直接影响设备的安全以及影响设备的稳定此案例传输，因此需要有效改善当前散热方式，才可以实现电力电子设备的有效运行，因此本文主要对电力电子装置强制风冷散热方式进行研究，希望对相关从业人员有一定的参考。

随着电力电子技术的发展，如今的设备正朝着小型化、轻量化的方向发展，但体积越来越小，散热装置无法有效布置，导致目前的散热问题非常大，导致电子设备本身在全功率运行和工作时出现故障，甚至出现故障，针对这种现象，做好散热工作是很有必要的。在众多的散热方式中，强制风冷本身性能好，复杂度中等，所以可以用在电力电子设备中，而且强制风冷本身的可靠性很强。可用于多种复杂情况，通用性强。一般情况下，采用风冷散热的方式有很多种。在散热过程中，判断当前风冷的形式和效果，可以了解到在目前的风冷设计中，改进风冷通道的设计可以有效的实现目前的风冷设计，从而提高风冷效果。

1 对流换热过程分析

在风冷散热之中，最常见的一种形式就是对流换热过程，在强制风冷的散热系统之中，热量会经过几个环节，从而实现降温的工作，在这个过程中，使用的主要元器件有散热器，管芯和管壳，这些部分之间连接处存在一定的空腔，这些空腔才是散热的主要环境，在热量经过这几个部分之后，会逐渐置换自身的一些热量，从而保证当前的热传导工作能够稳定的进行，所以针对这样的现象，在当前的散热之中，需要做好当前的强制散热，才可以保证热量之间的互相交流，实现当前的强制风冷散热过程，其中热力学原理如下，在热量置环的过程中其中将散热器在热量传递过程中的单位时间成为P，对流换热系数设置为a，散热器与空气接触的面积则是为A，散热器表面的平均温度为Ts，环境温度主要为Ta。因此可以得出对流交换过程方程p=aA（Ts-Ta），其中一个散热器的热力学第三定理可以用其热阻来表示，=（Ts-Ta）/p，热阻较小的散热器具有更好的散热能力，因此可以得出=1/（aA），因此可以得出结论，如果对流交换热系数a与换热面积A越大，则热阻越小，就表示其散热的能力更强。所以在上述的式子之中，可以了解到，较大的散热面积具备较大的换热面积，因此本身的降温能力非常强，在实际运行的过程中，散热器温度会高于环境的温度，这个时候空气在表面进行流动，进而带走热量。原理散热器表面的流速为v空气为介质的枪温度流场之中，温度和流速分布有着较为明显的规律。

1.1 温度场分布

散热器在于空气之间发生传热的时候，会在散热器表面形成一层较薄的空气，这就导致了散热器表面的温度会发生非常面明显的变化，在这一层较薄的空气之外，则是温度不会发生变化，因此这层空气可以视作是热边界层，有着这层空气，散热器之间才会发生热量的传递，最终降温工作医疗这部分的功能进行。

1.2 流场分布

流场的分布和温度场分布几乎一致，二者都是在散热器的表面形成一层较薄的空气，这层空气有散热器与外界交换的热量，在运行的过程中，会因为散热器表面的粘连作用，让空气的流速发生一定的变化，在这种变化的情况下，散热器会与外界进行热量的置换，从而流场内部的温度保持在一定的范围内，散热功能也是基于这种情况产生作用的，在这一层空气之中，速度存在明显的边界，可以将其称之为速度边界层。对于空气的介质，该边界层和温度边界层厚度基本保持一致。而且在流场之中，存在层流以及紊流两种状态。

1.3 降低热阻提高对流的方式

通过前两种的探究，了解了当前在遇到对换热的时候，影响对换热的主要因素，因此可以针对这样的原理，在当前的散热器制作过程中，对散热器进行调整，从而实现对散热器的有效控制。在当前的散热器中，想要提升散热的途径主要有以下几种方式：

首先是加大散热器的尺寸，这样能够有效扩大与外界的接触面积，也可以提升热量的交换，甚至在散热的时候，可以加强对散热翅片数量的使用，这样可以增加散热器的散热面积，从而实现有效的散热。

其次就是采用尺寸更大的风机，风机本身可以提升空气的流动速度，因此使用风机可以极大增强散热的系数，从而实现有效的散热。

最后就是在流场中引入紊流，这样可以在体积相似的情况下，加大自身的对流量，从而增加换热系数，实现当前的对流工作。

因此在当前的散热器中，需要对上述的几种情况优劣进行对比，找出适合当前散热的方式，才可以实现对温度的控制，上述方法的优劣主要有：增加散热器会导致设备的整体重量增咋，在当前的使用之中，所有的设备都朝着小体积化发展，因此加大散热器的体积是一种逆向的发展，对于实际的发展起不到任何的作用，因此在一定的体积和重量的限制下，当前增加散热器会尽量减少散热片的体积和重量，但是这种方式又会导致散热效果下降。因此在当前的发展中，人们开始注重风道对于散热的帮助，在改善风扇和散热器的同时，对风道进行改良，通过这样的方式，实现了对当前的散热器的有效优化，实现了散热器的进步。

2 集中强制风冷散热对比实验

在本次的实验中，主要设置了四种实验装置，该设备大致相似。发热体采用固定在铝合金型材散热器上的大功率电阻，其发热功率可通过调节电压准确设定。使用风扇叶片直径为120mm的交流驱动轴流风扇进行冷却。在实验中，各种风管都是用厚纸做的。实验装置主要参数如下：首先，风机风量为3m3/min，加热功率为200W，散热器尺寸为240*140*50（mm），风机截面散热器截面是连续的“U”形。

四种方案主要的差异在风道阻挡物上，其中1方案阻挡物本在散热片垂直上方，且风速为垂直向下吹，2方案阻挡物本在散热片垂直上方，且风速为垂直向下吹以及斜方向向下，3方案阻挡物本在散热片垂直上方，且留有一定的距离，且风速为垂直向下吹以及协防向下，四方案则是将风道放置于散热器的侧方，风垂直向下。

实验中用精度为0.1℃的电子点式温度计测量散热器的温度，在靠近发热元件的散热器台上选择测温点。环境温度采用水银温度计测量，精度为0.1℃。每个实验进行约40min。每5min记录一次散热器温度和环境温度。根据记录可以判断系统是否达到稳定状态。最后，将稳态散热器温度和环境温度代入公式2，计算散热器到环境的热阻。

通过对比可以发现在当前的使用中，四种散热系统的效果进行充分的对比，其中热阻较小则是说明了当前的散热效果比较好，热阻较大则是说明了当前的效果比较差，所以通过对几种方案进行比较，可以了解到，当前方按照之中，总共有四种方案，其中方案1和方案3的热阻比较大，方案2和方案4热阻比较小，因此可以得出，方案2和方案4的散热效果较为良好，在大多数的情况下，在风道之中增加阻挡会让祖热的效果变差，但是只有一种情况下爱，效果会有所改善，那就是在使用方案4的风道之中，这样的方式可以极大改善当前存在的问题，保证当前的散热效果有一定的提升，从而实现当前的散热需求。

通过实验的方式，可以发现在散热器风扇的参数是恒定的情况下，合理使用户风扇的设计能够有效的减少热阻效应，一般减少的幅度在10%到20%之间，同时也能够通过风道的优化，在当前的散热器中，让温度降低5到10摄氏度左右，因此在当前的设计中，需要注重对于风道的改良，同时做好其他方面的设置，能够让散热器的实用性更强，能够完成当前的使用。

通过实验进行对比，可以发现几种方案之间的优劣，主要的内容如下：

首先是方案1，由于方案1本身的气流平行与散热器表面流过，因此流畅主要是依靠层流的方式实现散热功能，在这样的情况下，散热本身的效果比较良好。

在方案2之中，气流被挡板引入冲向散热器，这样虽然能够在一定的程度上增加风量，但是在实际的运行之中。造成了风量的扰动，这就让风量在使用的过程中出现了紊流的现象，因此导热的效果非常好，在使用的时候，由于风道的约束，导致风量本身会变强，这也是方案2使用的效果比较好的主要原因。

方案3则是空气流速比较高，但是在风道的引导过程之中并不能有效的形成紊流，因此在实际的使用过程中，可以发现本身的散热效果并达到预期，因此和方案2进行比较，其散热效果相对较差。

方案4之中，气流直接冲击散热器的表面，在流场之中进行运行，可以很好的改动扰动的效果，在使用的时候，会在散热器的表面形成广泛的紊流区域，因此散热的效果非常好。

从其他方案的实验结果可以发现，在风道中增加屏障会降低风速，因此散热效果变差。但是，屏障也可以扰乱流场并形成紊流，从而提高散热效果。以上实验表明，通过合理的风道设计，在流场中引入扰动，可以提高散热效果。风道设计的另一个原则也可以概括，就是不要过多的阻挡空气流动，减少过多的流量，以免降低散热效果。在实际设计中，往往是在引导气流形成扰动时造成风速损失。因此，应考虑权衡以实现最佳设计。

3 实验结论

本文在对影响对流传热的各种因素进行分析的基础上，提出了通过合理的风道设计来提高散热效果的方法，得出以下结论：第一，理论分析表明可以提高散热效果通过增加对流传热。散热器和风扇尺寸和转速的散热面积的增加受到设备体积、重量、成本和噪音的限制。当散热器和风扇参数一定时，通过合理的风道设计，在流场中引入湍流，增加局部对流，加强热交换，提高散热效果。其次，合理的风道设计原则如下：首先，引导气流冲击散热器表面引起扰动，形成湍流，加强散热效果。其次，不要使风头损失过大，流量下降过多，以免降低散热效果。在实际设计中，这两个方面往往存在矛盾，应权衡考虑，以求达到最佳。