一种应用于实际工程的强迫风冷散热设计方法探析

李 辉

（武昌工学院机械工程系，湖北 武汉430065）

0 引言

随着电力电子技术的发展，元器件和设备日趋小型化，使得设备的体积功率密度大大增加。因此，为电力电子设备选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统就显得尤为重要。强迫风冷散热的方式是电子设备中高功率器件采取的主要冷却形式之一，该方式工作可靠、易于维修、成本相对较低，所以在需要散热的电子设备冷却系统中被广泛采用。本文总结出一种能应用于实际工程的设计计算方法，可有效地进行大功率电子设备的强迫风冷散热设计。

1 强迫风冷散热设计的基本方法

具有散热器的强迫风冷散热设计比较复杂，由于管壳温度、散热器和风机之间相互影响，使得各个参数的计算也相对复杂。以下针对这种情况，给出设计计算的基本方法和步骤：（1）了解设备工作环境（包括环境温度和噪声要求等），确定设备外形尺寸、配置、总功率、热敏器件和集中发热器件；（2）综合考虑设备结构，风压、成本、散热效率等因素，选择合适的散热器；（3）依据发热量和热平衡方程，初步确定风机；（4）根据设备及散热器结构，确定系统阻力特征曲线和风机的工作风量；（5）对散热器进行校核计算。根据以上5个步骤，若最终确定散热器的散热量小于元器件产生的热量，则还要调整散热器的结构参数，重新选择风机并重复上述步骤，最终使散热器的散热量满足散热条件。

2 强迫风冷散热设计实例

以某SVG功率模块为例进行介绍。SVG模块的主要发热元件是IGBT，采用的是2个桥臂的IGBT并联结构，每个桥臂由2只450 A的IGBT串联，经过计算发热量是2 000 W。

2．1 散热器的选择

散热器的结构设计需要综合考虑电子设备的结构要求、成本、风压、散热效率、加工工艺等条件，并结合后续的多次反复计算确定。根据该设备的结构要求及散热系统结构形式和成本等综合考虑，初步选择铝型材散热器，截面图如图1所示，长度为L＝545 mm。

2．2 风机的选择

假设所选散热器设计合理，可将全部发热量传递到散热空间。所选风机能将热量排出设备外，风机的风量可将全部发热量带走。热平衡方程为：

图1 散热器截面图

式中，q为冷却空气流量（m3／s）；Q 为设备发热量（W）；ρ为空气密度（kg／m3）；Cp为定压比热容［J／（kg·℃）］；ΔT 为空气的温升（一般为10～15℃。）

该设备总发热量Q＝2 000 W，定压比热容Cp取1 005 J／（kg·℃），空气密度ρ取1．11 kg／m3，空气温升 ΔT 取10℃。将以上参数值代入到热平衡方程得：q＝2 000／（1．11×1 005×10）＝0．179 m3／s＝644 m3／h。

因为风阻的存在风机是不可能工作在最大风量处的，所以风机的工作点风量小于风机的最大风量。根据实验及产品的使用情况，按照1．5～2倍的裕量选择风扇的最大风量，q＝644×1．5＝966 m3／h，初步确定风机的型号。

根据上述计算，我们初步选择EBM型号为R2E250－AS47－26的风机，图2列出了所选风机的有关参数，图3为该风机的特性曲线。

图2 风机的主要参数

图3 风机特性曲线图

2．3 计算风阻，并确定风机的工作点

风道的压力损失可由下式计算：

ΔP＝hf＋hj＝λf（L／de）（ρV2／2）＋ζρV2／2

式中，λf为沿程阻力系数；L为流向长度（m）；de为当量水利直径（m）；V 为断面流速（m／s）。

de＝4A流通／湿 周 长 ＝4×3．5×75／［2× （3．5＋75）］＝6．69 mm＝6．69×10－3m

根据实际经验风速取10 m／s，则雷诺数为Re＝ρVde／μ＝10×1．11×6．69×10－3／（19．4×10－6）＝3 828

沿程阻力系数λf＝64／Re，则沿程压力损失为hf＝0．2Q；根据散热器的形状查表得ζ＝0．5＋2，则局部压力损失为hj＝2．5ρV2／2。

最终，风道的曲线方程为 ΔP＝hf＋hj＝0．2Q＋0．001Q2，然后将风道曲线与风机的曲线进行叠加，其交点即为风机的工作点，求得工作点对应的风速为13．5 m／s，压力为370 Pa。

2．4 散热器的校核计算

在风机实际工作风量下，散热器的最大散热量应大于2 000 W，通过计算最大散热量来确定是否满足设备散热要求。

强迫风冷风道内对流换热系数的计算公式为：

式中，hc为换热系数［W／（m2·℃）］；J为考尔本数；G 为通道单位 面积 的质 量流 量 ［kg／（m2·s）］；Cp为 定压比 热容［J／（kg·℃）］；Pr为普朗特数。

假设冷却空气的出口温度为50℃，环境温度为40℃，定性温度Tf＝0．5×（50＋40）＝45℃，则查表得空气的物性参数分别为：Cp＝1 005 J／（kg·℃），λ＝2．8×10－2W／（m·℃），Pr＝0．699，μ＝1．94×10－5Pa·s，ρ＝1．11 kg／m3。

通道的单位面积质量流量为：

G＝ρV＝1．11×13．5＝15 kg／（m2·s）

根据风机形成的实际风速13．5 m／s，则雷诺数为：

Re＝ρVde／μ＝1．11×13．5×6．69×10－3／（19．4×10－6）＝5 167

因为是肋片式散热器，则：考尔本数J＝0．72／R0．7e＝0．72／5 1670．7＝0．001 8；换热系数hc＝JGCpP［－2／3］r＝0．001 8×15×1 005×0．699［－2／3］≈34；散热器效率由表查得η＝0．69；该散热器的最大散热量为（散热器台面温升按最大40℃考虑）：Q＝hcFΔtη＝34×0．69×3．27×40＝3 069 W。计算出的散热器最大散热量Q＞2 000 W，表明散热器结构设计及风机选择合理。

3 结语

电力电子设备中的强迫风冷设计是非常复杂的，设计过程中可应用以上计算方法进行初步的设计计算，最终还是要根据反复实验来确定。实践证明，这里提出的强迫风冷散热设计法是一种能应用于实际工程的有效设计计算方法。

［1］王建石，胡可全．电子设备结构设计标准手册［M］．北京：中国标准出版社，1993

［2］张忠海．电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计［J］．电子机械工程，2005，21（3）

［3］王丽．大功率电子设备结构热设计研究［J］．无线电工程，2009，39（1）