肖訓華：結構因素對通風散熱及噪聲的影響

1、肖訓華：結構因素對通風散熱及噪聲的影響【作 者】肖訓華深圳市寶慧和科技有限公司深圳市，深圳，518055【摘 要】由于電子元器件以及PCBA的集成度越來越高，在設計醫(yī)療電子設備時，通風散熱以及噪聲抑制成了越來越難解決的問題，本文綜合了多個項目的熱設計經驗，從多個結構因素實驗得 出改善的方法?！娟P鍵詞】結構因素；通風；散熱；噪聲；影響The influence of structure factors on heat and noiseWritter Xiao XunhuaShenzhen Bowful Technology Co.,Ltd , Shenzhen, 518055Abstract

2、Due to the higher integration of electronic components and PCBA ,ventilation cooling and noise suppression becomes a problem which is more difficult to solve. This text combines thermal design experiences of multiple projects and finally gets methods to improve from multiple structure experiments.Ke

3、y words Structure factor; ventilation ; heat dissipation; noise; influence0引言IEC60601-1醫(yī)用電器設備安全通用要求：在環(huán)境溫度35c條件下，工作中產品的可觸摸表面溫度 不得超過50Co如果同病人接觸，不得超過41 Co如果超過41 C,則必須進行科學的解釋，并提供數據以證明不會危及病人安全。1強迫空氣冷卻的基本形式設備中可能存在單個模塊的發(fā)熱量極大的情況，如超聲設備的主機箱，電源機箱等，可以單獨 給這些模塊安裝風扇，加強散熱效果，針對發(fā)熱量 不同的模塊，可以選擇單獨抽風，單獨鼓風，或者抽風冷卻主要適用于熱量分布

4、比較均勻的整機 或機箱，熱量經過專門的風道或直接排到設備周圍 的大氣中，抽風的特點是風量大，風壓小，各部分 風量比較均勻，抽風風機一般都裝在機箱或整機的 頂部或上側面。鼓風的特點是風壓大，風量比較集中，鼓風冷 卻通常是用在單元內熱量分布不均勻的情況，鼓風 風機一般裝在機箱或整機的底部或下側面。設計過程中，典型單個模塊強迫空氣冷卻散熱 方案設計如下：是抽風和鼓風同時采用。主機箱散熱方案（抽風）開孔區(qū)域的最大化可以減低所需氣流的速度和壓力。開孔率（FAR）:開孔的面積/全部的面積，建如下所示：80%的開孔率和56%的開孔率比較,對氣流的阻力減小 88%。主機箱散熱方案（鼓風） 56% FAft加，

5、川口1身叫6眥 FAR1.1系統(tǒng)需求的風量大致計算方法1）測定設備的規(guī)格和工作條件：-V:整個系統(tǒng)所產生的總熱量（W） =100（W） ?T:系統(tǒng)內部溫度上升（K） =15度2）計算冷卻所需的空氣流量：Q:馬達的空氣流量（m3min）Q: =V/（20 ? T）=100/20*15=0.33 （m3/min）3）選用風扇：Q:最大空氣流量（m3/min） : Q=Q*2/3Q: = Q *3/2=0.33*3/2=0.5 （ mWmin）確認所選用的風扇是否正確。2結構因素對通風散熱及噪聲的影響 2.1開孔設計-何 Wflnr 口 :清 ftHOFM J.L* - BK2.3外殼出風口的設計外

6、殼出風口的設計要注意以下幾點:避免有氣流的瓶頸，出風口的面積和入風口的 面積以及風扇的有效面積相當。減少轉交和較平滑 的轉交設計對氣流有較小的阻力。出風口要設計和加工得比較圓滑，沒有毛刺， 可減少氣流的沖擊產生噪聲。入口IOIDIP心仁仁IPILglolplb仁仁IpkIPIP廬IP口oQb出口2.4風機的位置強迫通風冷卻時，氣流的方向及風機的位置都 將影響冷卻效果，常用的有如下幾種方法：1）軸流式吹風系統(tǒng)，風機位于冷空氣的入口處，把冷空氣直接吹入機箱內， 可以提高機箱內的 空氣壓力，并產生一定的渦流， 改善換熱性能，通 常當熱源較集中，并且吹風可以直接吹向熱源時， 可用吹風系統(tǒng)冷卻。 但是，

7、在吹風系統(tǒng)中，風機的 電機的熱量也被冷空氣帶入機箱，影響散熱效果。好處是便于設計防塵。2）事由流式抽風系統(tǒng)，是從機箱內抽出受熱的 空氣，將在機箱內減小內部的空氣壓力，風機電機的熱量不會進入機箱，而且還可從機箱的其他縫隙 中抽入一部分冷空氣，以提高冷卻效果。3）軸流式吹風系統(tǒng)與軸流式抽風系統(tǒng)并用，或同時還有多級風扇串聯， 由于機箱內的系統(tǒng)阻力 太大，或風道太長，單是抽風或吹風不能滿足要求。風道的結構形式合理地組織氣流沿預定的流道流動，稱為風道 設計，應注意一下幾個方面：1）射流式風道-風機輸出來的氣流不與固定 的邊界相接觸，以自由的擴散的形式對發(fā)熱單元進 行冷卻，這種風道的冷卻效果差，能源消耗大

8、。2）具有平行風道的冷卻系統(tǒng)，要求有氣流進 入機箱后形成高的靜壓（機箱內的某點的空氣壓 力）和低的動壓（機箱內兩點間空氣流動的壓力損 失），以便提高冷卻效果，降低出口和彎曲處的壓 力損失，如果機箱比較長，功率較大，而風道截面不增加時，則必須增加冷卻空氣的流速，如圖（a）所示的結構，上下風道截面不變時， 氣體流到下風道叉口 處被壓縮，壓力上升，而且可能出現下風道口的壓力 大于上風道口的壓力， 將導致氣流回流，為了防止氣 流回流，出口風道的截面積應大于各部分支風道的截 面積的總和。3）如圖（b）所示，采用錐形風道時，可使上主風道中任一點的截面積大于支風道的截面積。進風口和出風口的面積也不要小于通風

9、機的最大通風面積。否則會產生較大的阻力， 也就是說，系統(tǒng)的阻力特性曲線會越陡，單位時間內的通風量會越小， 對散熱越不利。另外，特別注意要讓冷卻空氣從熱源中流過，防止氣流短路。錐風道ZL（b）風道結構形式的影響內部走線不要擋住風路O4）風道布置的注意事項:風道要短而直，拐彎要少，必須采用拐彎時，盡量加大拐彎的半徑，以減少局部的壓力損失。避免聚然擴展或聚然收縮，擴展的張角不得超過20度，收縮的角度不得大于 60度。為了取得最大的空氣輸送能力，應盡量使矩形管道接近于正方行形，矩形管道長邊與短邊之 比不得大于6: 1;管道應盡量密封，所有搭接 得臺階都應順著流動方向。在結構尺寸不受影響時，增大風道面積

10、可減小 壓力損失，同時可降低風機的噪聲。當風道進口需要安裝防塵網時，在防塵的效果 和流體阻力之間要權衡，同時防塵網要在系統(tǒng) 外面可拆洗，以保證能定時清潔防塵網，防止睹塞網眼。（推薦防塵網為線徑 0.15mm,每平 方厘米60目的不繡鋼網），特別注意的是：加 了防塵網會減小實際的通風面積，但此時實際的通風面積仍不能小于風機的有效通風面積。系統(tǒng)的進出風口盡量遠離，避免出現熱空氣的 循環(huán)。元件的排列與走線為了提高冷卻效果，在冷卻氣流流速不大的情 況下，元件應按叉排列方式，這樣可以提高氣流 的紊流程度，增強散熱能力，如某產品的放大 板上，發(fā)熱的器件在 PCB的兩面同一位置從 上到下一線排列，導致在該板

11、的U22處的溫度 極高。大的元器件如散熱器，變壓器等盡量避免布在風路上。對于大型醫(yī)療電子系統(tǒng)， 盡量使板卡垂直安裝，且板卡間距大于 25MM。熱源的位置由發(fā)熱元件組成發(fā)熱區(qū)的中心線，應與入風口 的中心線相一致或稍低于入風口的中心線，這樣可 使電子機箱內受熱而上升的熱空氣由冷空氣迅速帶 走，并直接冷卻發(fā)熱元件，分層的大型電子設備， 可將耐熱性好的熱源插箱放在冷卻氣流的下游，耐 熱性差的熱源插箱放在冷卻氣流的上游。整機噪聲要求設計醫(yī)療設備時，都有一個整體控制噪聲要求。 如某醫(yī)療設備噪聲要求：1）離機器的前面把手 0.5米，離地面1米，噪 聲不大于45 Dbo2）離機器的后面1米，離地面1米，噪聲不

12、大 于 50 dBo風機安裝對噪聲的影響在選擇醫(yī)療電子設備冷卻的風機時，噪聲是應 重點考慮的因素之一。噪聲的大小與風機安裝方法 有較大的關系，從風機抽出來的風如果沖擊到帶孔 的鉞金件或塑膠件上時，會產生較大的噪聲。如某 醫(yī)療設備I/0背板上D08T-12PG安裝如下圖：（風扇 裝在機器里面，出風對著鉞金件吹風）。當風扇分別懸空 0mm, 4mm, 10mm時，測得的 機器的噪聲如下表（測量機器的后面，大約距地面， 距機器各1m。正常上班時間）：風而懸空邁題對面呼聲I 1LL.47.3 JB4 mm4fi.S dB0 Fm45. G dB回，如從上表可以看出，該種安裝方式，當風扇懸空時，在風扇與

13、鉞金件之間加墊片，（懸空的高度在 0 10mm）,噪聲會加大。且有塑膠外殼罩住時，噪 聲會有所減小。當風扇用另外一種安裝方式，如風扇固定在鉞金件上，向外抽風，如下圖：風散裝在機箱的外面， 向外抽風，當風扇懸空時，在風扇與鉞金件之間加墊 片，（懸空的高度在 010mm）。風扇nf定落0 mm2 macefennc4emi.7dB+5 7dB3I34B判6dB另外，在出風口加尼龍布防塵網，也會對噪聲有減小。在某設備的降噪聲設計時，把開始的在風扇安裝 板上的沖孔墊片改為如下圖的墊片 ，噪聲大大降低 原因是開孔率大大提高，金屬絲非常圓滑，防塵網對 氣流的阻力非常小。下圖設備的風扇安裝，當把后殼上出風口

14、筋內側修大約R0.8時，離出風口約 20cm時測噪聲，結顯。問題會有改善作用。測得數據如下表格所示：當間距在 0-4mm之間時，噪聲會減小，但再增大間距，噪聲變化不明倒圓角R0.8噪聲的評估測試過程中發(fā)現東芝便攜式B超的噪聲從聲強上比某設備低一點，但是實際感覺該設備卻刺耳的多,感覺上是該設備的噪音頻率比東芝的要高，由于人耳對噪音的感覺不單是聲強決定的，和聲音的頻率也有很大關系，所以降低該設備發(fā)出噪聲的頻率對此風機的安裝位置根據東芝在這方面的設計經驗，風機的安裝非常講究：外殼進風孔（或出風孔）的總面積要不小于風 機總的通風面積。風機不論是抽風還是鼓風，安裝時都最好不要 直接貼裝在開孔的鍍金上，因

15、為這樣會出現較 陡的風道特性曲線。 單位時間的通風量會比預 計的通風量減少，對散熱不利。最好的是把風 扇懸空，不論是出風口還是進風口，都在外面 加開孔的屏蔽罩，并且開孔面積不小于風扇的 通風面積，屏蔽罩離通風機有 8-10mm勺距離。 這樣保證風機是工作在風道阻力最小的點上， 單位時間內的通風量最大。散熱最好。某設備進風組件，風扇安裝位挖空如圖某設備出風組件，風扇位置挖空如圖某設備出風組件，屏蔽罩離風扇8.5mm,氣流從鉞金開孔流出根據在鴻基公司做的試驗，風扇安裝在開孔的鉞金表面（鉞金件孔徑 D=4mm,孔中心距為5mm）, 懸空4.5-6mm或10mm時，風量與靜壓的關系曲線 如下圖。風扇P1124010H安裝在不同位置時的特性曲線風扇D08T-12PH安裝在不同位置時的