散热系统设计

散热系统设计（精选十篇）

散热系统设计 篇1

绝缘栅双极晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)是近年来迅速发展并广泛应用的新型半导体器件。IGBT具有所需驱动功率小、驱动电路简单、低稳态损耗、高电压大电流、输入阻抗高、热稳定性好、承受短路能力强、载流能力强的优点,广泛应用于冶金、化工、新能源和轨道交通等领域。

IGBT和其他功率元件是功率模块中最主要的发热单元, 发热量大且热量集中,如果散热能力不足,则功率损耗就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高。如果结温超过允许的最高温度,会引起芯片性能降低,可靠性降低,无法安全可靠工作。因此,在进行电力电子设备设计时有必要对IGBT模块散热系统进行热分析和研究。

1功率模块损耗分析

IGBT和续流二极管工作时会产生功率损耗,可以分为通态损耗和开关损耗。

1.1通态损耗

IGBT以及续流二极管导通过程中,由于导通压降而产生的损耗称为通态损耗。根据IGBT的导通特性,可以推导出采用SPWM或SVPWM输出正弦波电流时,IGBT和续流二极管的通态损耗分别为:

式中,Pcond-Tr为IGBT的通态损耗;Iout为实际输出电流的有效值;M为PWM的调制度(相电压峰值除以1/2桥臂直流电压);φ为实际电流与实际电压之间的相角;Vce-25 ℃为IGBT在25℃时的额定导通电压;Kv-Tr为温度对IGBT导通压降影响的温度系数;Tj-Tr为IGBT的实际结温;Rce-25 ℃为IGBT在25℃时的额定通态电阻;Kr-Tr为温度对IGBT通态电阻影响的温度系数;Pcond-D为续流二极管的通态损耗;VF-25 ℃为续流二极管在25℃时的额定导通电压;Kv-D为温度对续流二极管导通压降影响 的温度系 数;Tj-D为续流二 极管的实 际结温; RF-25℃为续流二极管在25℃时的额定通态电阻;Kr-D为温度对续流二极管通态电阻影响的温度系数。

1.2开关损耗

当功率元件的开关频率提高时,开关损耗在总损耗中的比例会相应提高。一个开关周期,IGBT和续流二极管的开关损耗分别为:

式中,Psw-Tr为IGBT的开关损耗;fs为载波频率;Eon、Eoff为IGBT单脉冲开通、关断损耗(额定状态);Irated为参考电流;Vcc为桥臂电压;Vrated为参考电压;KswTr-I为电流幅值对IGBT开关损耗影响的电流系数;KswTr-V为桥臂电压对IGBT开关损耗影响的电压系数;KswTr-T为温度对IGBT开关损耗影响的温度系数;Psw-D为续流二极管的开关损耗;Err为续流二极管额定状态下的单脉冲关断损耗;KswD-I为电流幅值对续流二极管开关损耗影响的电流系数;KswD-V为桥臂电压对续流二极管开关损耗影响的电压系数;KswD-T为温度对续流二极管开关损耗影响的温度系数。

1.3总损耗

单个IGBT总的损耗PTr为IGBT通态损耗与开关损耗之和,即:

单个续流二极管总的损耗PD为续流二极管通态损耗与开关损耗之和,即:

模块总的损耗Ptot为模块所有IGBT、续流二极管和其他发热元件(如放电电阻)损耗总和:

2散热系统的设计

IGBT功率模块常用散热方式一般有风冷和水冷。综合考虑成本、可靠性及可维修性,一般采用强迫风冷进行散热。IGBT功率模块散热系统的设计主要有以下3个步骤:(1)根据元件负载情况计算功率元件的损耗;(2)根据经验预估散热系统热阻,并采用热阻等效电路计算出功率元件和散热器温度场分布情况;(3)根据功率元件最高允许结温、温度场分布情况以及实际环境条件,确定最佳散热方案。

2.1散热系统热阻等效电路

IGBT功率模块散热系统一般可以采用热阻等效电路的方法进行分析和研究,如图1所示的等效电路图中,电流源为功率损耗,电压为热阻产生的温差,电阻为热阻。

图1中,PTr和PD分别为单个IGBT和续流二极管总的损耗,Pe为其他发热元件的损耗,Tj-Tr和Tj-D分别为IGBT和续流二极管的结温,Tj-e为其他发热元件的结温,R(j-c)Tr和R(j-c)D分别为单个IGBT和续流二极管结温区到管壳的热阻,R(j-c)e为其他发热元件结温区到元件外壳的热阻,Rc-a为元件外壳到大气的热阻,Rc-s为元件外壳到散热器的热阻,Rs-a为散热器到大气的热阻,Ta为环境温度,Tc为IGBT外壳温度,Ts为散热器表面温度。

2.2散热系统热阻参数的确定

在组成散热系统等效电路的几个热阻中,R(j-c)Tr、R(j-c)D和R(j-c)e跟功率元件材料和具体结构有关;Rc-s跟散热器与模块表面接触情况相关,可以查询元件和模块技术使用手册;Rc-a相对于Rc-s和Rs-a数值很大,因此与Rc-s和Rs-a并联时基本可忽略不计;Rs-a一般可以根据实际经验或者试验确定。

2.3散热系统各点的温度计算

根据散热系统的热阻等效电路确定好各个热阻值,就可以计算出散热系统温度分布情况:

2.4散热器的设计

在常用的IGBT散热方式中,肋片散热器结构紧凑,体积适中,导热稳定,在功率模块散热中应用最为广泛。但肋片散热器需要附带辅助风道,对风机性能要求较高,运行时易产生噪声污染。

在散热器的设计过程中,应该对其结构进行优化,降低其热阻,使其实际热阻小于散热系统中的预计热阻,以满足功率元件的散热要求。

3散热系统仿真分析

以型号为SVG-600的IGBT功率模块为例,该模块选用英飞凌公司型号为FZ600R17KE的IGBT元件(双管),额定工作电流600A,电压1 700V,其电气原理图如图2所示。

模块主要发热元件是4个带续流二极管的IGBT元件和1个放电电阻,每个带续流二极管的IGBT最大损耗功率约为428W,放电电阻发热量约为200 W,则功率模块总损耗为1 912W,IGBT最高允许结温为125 ℃,为了保证其安全可靠工作,散热器背部最高允许工作温度约为85℃。该模块的散热器材料为铝合金6063,其导热系数为λ1=209 W/(m·K), 基板厚度为18mm,肋片高度为110mm,厚度为2mm,共40片,肋片之间间隙为4mm,其外形如图3所示。

本文将使用常用的传热、流体CAE仿真软件ICEPAK对IGBT功率模块散热系统进行仿真分析。根据散热器的实际尺寸、IGBT和放电电阻外形尺寸以及在基板上的安装位置,建立仿真模型,如图4所示。

将环境温度设为40℃,对SVG-600功率模块施加不同进风口风速的条件下,通过ICEPAK软件对IGBT功率模块散热系统热传导过程进行模拟仿真,得到不同散热条件下散热器以及基板背面IGBT的温度云图,如图5、图6所示。

从散热器基板背面最高结温与风速关系曲线图(图7)中可以看出,随着流经散热器肋片表面风速的提高,散热器基板背面的最高结温降低。但是当风速加大到一定程度后,对结温的影响程度反而不明显。这是因为当流经散热器肋板表面的风速过快时,散热器肋板表面还未与空气发生充分的对流热交换,空气就已经流走,并不能起到很好的散热效果。同时,流经散热器肋板表面的风速过大会增加设备的制造和运行成本,产生振动和噪音等问题。因此,在进行功率模块散热系统设计时,应该选择合适的冷却风速,既保证模块安全可靠工作,又考虑到经济性。仿真结果表明,SVG-600功率模块合理的冷却风速在5~6m/s之间。

4结语

本文对IGBT功率模块的散热系统进行了分析和研究,考虑电压、电流及结温对IGBT和续流二极管损耗的影响,推导出IGBT功率模块的热损耗计算方法;采用热阻等效电路法分析了散热器及功率器件热传导过程、热阻的确定方法以及各点温度计算方法;最后利用有限元分析软件ICEPAK对功率模块的散热过程进行仿真,得到不同冷却风速条件下的温度分布情况,分析了不同风速对冷却效果的影响程度以及保证模块可靠工作的最低风速。

参考文献

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[8]王经.热传学与流体力学基础[M].上海:上海交通大学出版社,2007

散热系统设计 篇2

这两种系统各有利弊，

地暖优点：室内平均温差小，温度比较均衡，整体舒适度好，

缺点是：系统需要24小时运行，日后使用费用高，对地面板材有要求（不能铺设实木地板），对屋内层高有限制（一般地暖高度是7-8cm）如果层高低于2.7m的用户来说请慎重考虑，会显得压抑。

散热设计渐受宠 篇3

所以投影机都使用了进出风风扇来加速内部空气流通，一些产品还设计了专门的风道用以灯泡、电源和光引擎的散热，还有一些产品采用金属外壳辅助散热方式，所有这些设计都是为了保证机器的及时散热，提高投影机的稳定性。

在以上提到的三种散热方式之外，各家厂商还都对投影机的散热设计进行了一些专门设计，以提高散热效率，而且在散热的同时保证防尘、减噪，以下的设计是近期在一些投影机产品中出现的特色散热设计。

一、NEC

NEC推出的NP系列的三款DLP新品应用了NEC新研发的“新冷却系统”，通过使用冷却泵替代了原有的风扇散热，这种混合冷却系统把散热风扇和空气泵融合在了一起，冷却泵位于机身前部底端(与镜头紧邻)，外包海绵以减轻震动，泵体通过气流导管与灯体灯座相连，导管中部有压力传感器，以确保可以按需控制气流流速，空气从机身左侧及后部分别进入，从灯泡所在的机身右前角的两边分别排出。冷却泵增加了灯泡周围的空气进气量，加快空气的周转速度，有效地提升了冷却效率。冷却泵的重量和体积明显小于传统风扇，自然使采用这一技术的NP60+投影机与传统投影机相比体积重量方面有了明显的减轻。

NEC VT695+投影机采用的是“双通道散热”系统，采取底部散热的方式。这种方式不仅可以让投影机适应外部40℃的高温，并且有效地降低了机器的整体噪音，给用户一个更安静的环境。并且内部独特的结构设计，在突然发生断电后能将热量锁定在灯泡周围，防止高温传导到其他主要配件中，造成更大的损失。而灯泡本身也采用了独特的热传导材料，避免突然断电后的高热量对灯芯造成损害，底部的散热窗也能及时排除大量热量。风扇口也特别手工添加密封条，力求把通风散热的损耗降低到最低。

二、索尼

索尼在新推出的VPL-CX100系列产品中也采用了全新设计的防尘散热系统，新的防尘散热系统采用了防尘性能出色的大口径底部吸气口，过滤网面积是普通过滤网的几倍，另外还采用了大口径的侧部出风口和大功率的风扇，在保证防尘的情况下，采用大风量加速散热，同时内部保留了充足的空气流通空间，保证进出风量，将机器内部的热量及时排除。

在索尼进行的相关测试中，其运行过程中，出风口温度和机身温度都要低于没有采用新散热系统的产品。而PCWorld中国实验室在对其中的VPL-CX120测试时，也专门对其散热效果进行了测试，在运行1小时后，出风口温度和机身温度的确明显低于其他的投影机产品。

三、优派

优派PJS88D、PJS08D中，采用了高散热性能的铝镁合金材质设计机身、零部件及散热片，机身及内部构件形成一个整体、稳定、高效的散热器，加速了内部热量向外部的传导。同时，优化了散热风路系统，通过优化部件布局结构、减小部件体积，增加了部件之间的散热空间，更加流畅宽阔的风路系统保证了更加高速稳定的空气对流效果。从而保证了散热效果，加速了散热过程，从而达到断电保护的效果，是一种注重节能的散热设计方案。

四、松下

在参加此次评测的松下高端投影机产品PT-FD560中使用了液体冷却系统，液冷系统的工作原理类似于冰箱和空调中的冷却原理，利用冷却液的循环来将需冷却部分的热量带到散热器中，由散热器排出热量。松下的这些高端投影机都使用了这种冷却系统，液体冷却系统直接对DLP芯片进行冷却，提升了投影机的稳定性，液冷系统的冷却效果好，可以对集中区域进行冷却，而且配合噪音抑制系统，可以得到很好的静音效果，运行噪音比风扇散热降低了很多。

五、东芝

散热器与地热供暖联网供热系统设计 篇4

1 供暖系统的供回水温度

a.散热器供暖系统

考虑安全、卫生、经济性,民用建筑散热器供暖系统采用中、小型供热锅炉房直接供热时,设计供、回水温度一般取95/70℃;采用热电联产和大型区域供热锅炉房间接供热时,二级管网设计供、回水温度一般取85/60℃。

b.地热供暖系统

根据《地面辐射供暖技术规程》JGJ142-2004,地热供暖系统的供水温度不应大于60℃。民用建筑供水温度宜采用35~50℃,供回水温差不宜大于10℃。

2 混水泵并联管网供热系统

a.供热系统

散热器供暖系统与地热供暖系统并联,热源供水温度取散热器供暖系统供水温度。为满足地热供暖系统供水温度要求,在其入口处安装旁通管,旁通管上安装混水泵,将地热供暖系统部分回水混入供水管内,联网供热系统见图1。

b.有关参数的计算

循环泵计算质量流量qm=qm1+qm2

式中:qm——循环泵计算质量流量,t/h

qm1——散热器供暖系统的计算质量流量,t/h

qm2——由供水干管进入地热供暖系统的供热介质质量流量,t/h

Ф1——散热器供暖系统热负荷,W

t1——热源供水温度,℃

t2——散热器供暖系统回水温度,℃

Ф2——地热供暖系统热负荷,W

T4——地热供暖系统回水温度,℃

地热供暖系统计算质量流量qm4=qm2+qm3=Ф2/1163(t3-t4)

式中:qm4——地热供暖系统的计算质量流量,t/h

qm3——由地热供暖系统回水管进入其供水管的供热介质质量流量,t/h

c.混水泵的选型计算

混水泵的扬程应大于混水点后地热供暖系统的压力损失ΔPf,质量流量应大于qm3。为便于调节,混水泵宜选用变频调速泵或选用恒速泵并在水泵出口设置调节阀。

3 设旁通管串联管网供热系统

a.供热系统

散热器供暖系统与地热供暖系统串联,热源供水首先进入散热器供暖系统,散热器供暖系统回水供地热供暖系统。在地热供暖系统入口供回水管之间安装旁通管及调节阀,联网供热系统见图2。

b.有关参数的计算

散热器供暖系统回水温度必须满足地热供暖系统供水温度的要求,散热器供暖系统回水质量流量必须大于等于地热供暖系统的设计质量流量。热网总阻力为散热器供暖系统与地热供暖系统阻力之和。

c.旁通管的选型计算

旁通管的管径应根据其计算质量流量进行选择,并根据旁通管后地热供暖系统压力损失ΔPf进行阻力平衡计算,旁通管总阻力应略小于ΔPf。为便于调节,在旁通管上设调节阀。

4 两种供热系统比较

a.混水泵并联管网供热系统适应流量范围宽,易调节,不影响地热供暖系统的资用压头,但需设置混水泵,设备维护量较大。

b.设旁通管串联管网供热系统设备简单,设备维护量小,易于调节。由于散热器供暖系统与地热供暖系统串联,系统阻力大,循环泵扬程较高,热网的工作压力较高,设计时应保证供暖系统不超压。

5 结论

电动汽车电池包散热加热设计 篇5

电动汽车电池包散热加热设计

电池包的热管理是电动车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的..文中分析了温度对电池组性能和寿命的影响,概括了电池组热管理系统的功能,介绍了电池包热管理需解决的一些问题和相关解决方案,以及怎样合适地设计电池包散热加热系统.

作 者：车杜兰 周荣 乔维高 作者单位：刊 名：北京汽车英文刊名：BEIJING AUTOMOTIVE ENGINEERING年，卷(期)：“”(1)分类号：U469.72关键词：电池包热管理 冷却 加热

散热系统设计 篇6

【关键词】散热；LED；舞台影视照明；灯具设计

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.002

【Abstract】Heat dissipation is an important problem of performance and life of LED light. In this paper a new type of heat dissipation structure design in LED video tablet soft light was introduced， so as to lead in better effect of LED light heat dissipation.

【Key Words】heat dissipation； LED； stage film and television lighting； lighting design

引言

自从上世纪末白光LED诞生以来，LED照明技术得到了飞速的发展。目前LED照明在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。

在舞台影视照明领域，LED光源凭借其光效高、能耗低、寿命长、无污染等众多技术优势，也显示出超强的魅力。2003年，LED PAR灯在国内演艺设备行业首次亮相，标志着LED灯具作为一种新型的绿色光源产品，开始走入舞台影视照明领域。随着LED PAR灯在电视演播室的使用，各种各样的LED影视舞台灯具也迅速发展起来。2008年北京奥运会开闭幕式使用了大量的LED产品，LED灯具大放异彩。当今，LED灯具已经在舞台演出和影视照明领域不断前进，其取代传统光源灯具的趋势不可逆转。

1 散热性能对LED灯具的重要影响

LED是固态光源，发光芯片面积小，工作时通过芯片的电流密度大；而单颗LED芯片的功率比较小，所输出的光通量也较低，所以，在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成，从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高，大约只有15%～35%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED光源集中工作时，将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散，会致使LED光源结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命。因此，对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

就LED光源而言，LED芯片与LED基板之间以及LED基板和散热器之间采用热传导的方式进行散热，散热器和大气环境之间采用热对流的方式进行散热。LED光源热量的75%是通过热传导的方式发出，基本不用考虑热辐射的散热情况。为了较好地控制LED的结温，良好的散热设计主要是从以下两方面考虑：一是改善LED发光器件的内部封装结构，提高发热芯片向基板传导热量的能力；二是提高外壳向外界散热的能力。

影视照明灯具是专业照明领域里要求比较高的一种灯具，其要求灯具在使用过程中不能出现色温漂移的现象，而且有很高的噪声要求。这就要求LED灯具设计时要充分考虑灯具的散热：只有具有良好的散热性能，才能保障LED芯片温度在恒定的范围内，而不至于在使用过程中产生色温漂移；在足够散热的条件下尽量减少散热噪声，最好是实现没有噪声的散热。

2 一种新型的散热结构设计

广州市珠江灯光科技有限公司新近推出了一款具有自主专利的LED影视平板柔光灯（如图1）。这款灯采用自然散热方式，不产生任何噪声，很好地满足了影视照明灯具的噪声要求。在散热结构方面，采用了一种新的结构设计，使LED的热量很好地通过空气对流散发到空气中，保证了LED能够在安全的温度范围内工作，从而确保灯具在使用过程中，不会因为温度过高而产生色温漂移和亮度衰减的问题。

2.1 结构

先看这款灯具散热部分的结构（如图2）：

从结构上看，光源部分采用16颗集成式LED光源，分成3组安装在凸起来的传热面上，每组之间就有一条整体的凹槽。在凹槽底部就是散热器的支撑板，支撑板把散热器分隔为两个区域：前面的LED光源安装区域和后面的散热片区域。同时，在凸起部位的两侧各留出一排缺口，切开散热器其中的一边看看缺口的位置（如图3）。还有就是从正面图看到中间凸起部位还有一排通孔。

2.2 设计原理剖析

从图3可以看到，缺口和通孔都是连通前后两个区域的作用。

此散热系统中，LED的基板是灯具散热系统的传热载体，也是笔者能够接触到的最热的部位。从LED芯片传到基板上的热量，大部分通过散热器传导到散热片上扩散到空气中，而在基板周围的空气受到高温基板的影响，温度也迅速上升。后面区域的温度是通过基板传导到散热片上的热量而上升的，所以其温度上升要比前面区域慢。这样，就导致以支撑板为分隔的前后两个区域存在温度差，而缺口和通孔就是连通这两个有温差的区域的。根据空气流通的原理，当两个区域存在温差时，就会通过这些缺口和通孔进行冷热空气交换，这样就靠自身的结构让空气流动起来（如图4）。前面提到的凹槽就是为了使空气能够在LED周围形成循环流动的风道，让空气流动的范围达到整个区域。

因为前后两个区域对传来的热量存在时间差，所以在灯具使用的过程中，它们永远无法达到真正的热平衡，会一直进行冷热空气的流动热交换。因此这两个区域的空气流动是永远不会停止的。

也是因为有了永不停止的热交换空气流动，使得灯具的散热效果大大提升。研发人员在设计过程中做了多种情况的温度测试，最终结果就是现在的结构达到最好的散热效果。在模拟的空气冷热交换流动图（如图5）中可以看到，通孔起到了非常重要的作用。

2.3 测试

为了验证这种结构的有效性，研发人员反复地做了一项对比测试：将两组灯具，第一组是按照本文所述的结构设计，第二组是将所有的缺口和通孔都封起来，放在相同条件（温度为31.5℃、湿度为55%、无风扇）下的恒温恒湿箱进行测试，灯具热平衡后，利用红外测温仪测量出两组结构的热分布情况（仪器数据显示见图6、图7）。从中可见，第二组的最高温度点达到了55.7℃，而第一组的最高温度点仅50.7℃。即第二组无论是最高温度、平均温度还是最低温度，都比第一组高5℃左右。数据见表1。这个测试充分证明了此种散热结构的有效性。

从以上实例可以很清楚地看到，这款产品在结构设计上，充分考虑了空气力学方面的相关特性，在结构上巧妙地利用这些特性，使LED的散热达到了比较好的效果，为以后同类LED灯具的散热设计提供了很好的参考。

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散热系统设计 篇7

1 供暖系统的供回水温度

供暖系统包含两方面内容, 一方面是散热器的供暖系统, 另一方面是地热供暖系统, 前者在应用的过程中, 首先要考虑到的问题是安全、经济以及卫生, 这样才能满足住户的需求, 通常情况下, 在民同建筑中都会使用小型锅炉进行供热, 这种方式在对房屋进行直接供热时, 所设计的供、回水温度都有所不同, 一般在供水温度在95℃, 而回水温度在70℃。而在大型的环境下实行集中供热时, 供水温度则设计为85℃, 相对于民用住宅的温度较低, 回水温度则在60℃, 均要低出10℃。地热供暖系统中, 根据相关规定的要求, 供水温度要低于60℃, 供水温度与回水温度之间的差异不宜过大, 二者之差保持在10℃以内为最佳。

2 混水泵并联管网供热系统

在建筑中将二者并联使用, 供回水的温度也具有一定的差异性, 在实际设计的过程中, 要始终注意满足国家的相关标准, 尤其是要注意地热供暖体系的温度, 可以选择在入口的位置上安装一个旁通管, 并且在其基础之上再安装一个混水泵, 这样就可以使回水流入供水管中, 保证了供回水的温度。在进行设计时, 要充分考虑到实际情况, 在满足实际情况的基础上还要对相关的数据加以具体的计算, 以此求得最佳的设计参数。关于混水泵的选择, 当前市面上确实存在不少型号的混水泵, 要想选择出最为合适的一种类型, 那么就要测量出两个重要的参数, 一是地热供暖系统在的运行的过程中所造成的压力损失, 用符号表示为△Pf, 二是质量流量, 符号表示为qm3。同时, 为了便于在供暖过程中进行有效的调节, 因此在选择上还应该充分考虑到应用恒速泵, 以便在水泵出口的位置上进行有效的调节, 在使用的过程中具有明显的效果。有关参数的计算:循环泵计算质量流量qm=qm1+qm2

式中:

qm—循环泵计算质量流量, t/h;

qm1—散热器供暖系统的计算质量流量, t/h;

qm2—供水干管进入地热供暖系统的供热介质质量流量, t/h;

·1—散热器供暖系统热负荷, W;

t1—热源供水温度, ℃;

t2—散热器供暖系统回水温度, ℃;

·2—地热供暖系统热负荷, W;

t4—地热供暖系统回水温度, ℃。

地热供暖系统计算质量流量

式中:

qm4—地热供暖系统的计算质量流量, t/h;

qm3—由地热供暖系统回水管进入其供水管的供热介质质量流量, t/h。

3 设旁通管串联管网供热系统

设计时还可以将散热器与地热供暖系统进行串联, 这样供水首先会通过散热器的供暖系统, 紧接着进入地热供暖系统, 并且在地热供暖系统的入口处安装一个调节阀, 对供回水进行有效的调节, 以达到合适的温度, 在调节阀的作用下, 确保符合温度的规定, 同样, 设计时要以计算结果为理论依据, 这就要求在计算的过程中充分考虑到相关参数的设计, 首先是散热器的温度需要满足国家的相关规定, 其次是确保回水质量, 回水质量的指标应该在地热供暖系统的质量流量系统之上, 以此实现温度可以达到最佳的标准。在热网总阻力的方面, 主要是散热器与地热供暖二者之和, 达到这一标准的设计应用质量较好。另外这一环节中, 旁通管具有重要的作用, 因此应该对选型的情况进行充分的考虑, 通过计算后, 会将管径与实际的要求进行对比, 并且计算出相应的质量流量, 根据△Pf计算出所消耗的热量损失, 在调节的过程中需要满足保持温度的平衡, 降低阻力对旁通管产生的影响, 为了方便工作人员进行更加有效的调节, 可以在附近设计一个调节阀, 以此实现更加有效的应用, 在实际的工作中, 这一系统的设计具有显著的效果, 但是还是应该根据实际的情况对其进行更为严谨的设计。

4 两种供热系统比较

在实际应用的过程中, 两种联网的方式都具有一定的优势, 但是也同时存在不足之处, 不同方式的联网可以应用在不同的环境中, 采用混水泵的方式所应用的范围更加广泛, 并且这种联网的方式更便于工作人员进行调节, 在实际应用的过程中, 如果将供热系统采用联网的方式进行设计, 在供水温度或是回水的温度与标准的要求存在一定差异时, 就可以进行有效的调节, 与传统的方式相比, 其优势就在于更加便捷了。同时, 这种方式由于需要使用混水泵, 为了达到供水的质量标准, 就需要选择质量较佳的混水泵, 而这方面的开支往往是较大的, 不仅需要花费大量的维修费用, 同时维修量也很大, 在实际的工作中, 要想应用这种方式, 就要事先对其利弊进行充分的考虑, 并且进行合理的设计, 以此达到令人满意的效果, 否则反而会起到相反的效果。

旁通管的主要作用是为了主管道设备检修、维护, 做旁路备用的短暂通道, 也可以作为旁路泄压、排淤。设旁通管串联管网供热系统设备简单, 设备维护量小, 易于调节。由于散热器供暖系统与地热供暖系统串联, 系统阻力大, 循环泵扬程较高, 在网路运行时, 当压力高于控制值时, 补水量就会减少。当网路水泵停止运行时, 整个网路压力先达到运行时的平均值然后下降, 通过补水泵的补水作用使整个系统压力维持在定压点的静压力。热网的工作压力较高, 因此设计时应保证供暖系统不超压。

结语

对于同一供热区域内, 既有散热器供暖建筑, 又有地热供暖建筑, 应根据供热建筑的实际情况, 经技术经济比较确定供热系统形式。一般情况下, 当两种供暖系统的负荷都较大时, 应采用多系统分别供热方式;当两种供暖系统的负荷都较小或地热供暖系统的负荷较小时, 为降低工程造价和运行成本, 可采用单系统联网供热方式。

摘要：在地热供暖中, 散热器具有重要的作用, 本文主要对相关的联网供热体系进行详细的分析, 并且对这一系统的设计开展讨论, 希望在今后的生活中可以应用这一系统进行供热, 以实现节约工程成本, 提高运行效率的目的, 希望本文的论述能够为相关工作者提供一定的参考与借鉴。

关键词：散热器供暖,地热供暖,联网供热

参考文献

散热系统设计 篇8

随着三网融合技术的快速推进,业务和内容不断丰富,技术和市场不断发展,传统的电信网、计算机网络和广播电视网都在经历一次翻天覆地的变化,网络结构从复杂向简单演进,网络设备从专有系统向通用系统演进。在此过程中,由PICMG组织于2002年底发布的先进电信运算架构(Advanced Telecom Computing Architecture,ATCA)规范(先进电信运算架构),因其突出的高性价比、基于模块化结构的、兼容的、并可扩展的硬件架构[1]等优点,正在被广泛地应用于下一代融合通信及数据网络的开发设计中,以满足大数据时代对处理能力、交换能力和传输能力的巨大需求[2]。

ATCA规范创建了一种优化的新型板卡(刀片式)和机箱(机框)外形规格[3]。近几年,随着ATCA架构应用的不断多元化,标准ATCA机框并不能涵盖所有的应用领域,在某些特殊的应用场合中,需对标准机箱做适当的修改以满足个性化应用的需求。于是,定制化ATCA机箱产品应运而生。其中,2U机架式结构的单板ATCA服务器因具有高效的处理能力、结构紧凑、低成本、低能耗、性价比高、易于部署等优点,具有巨大的应用前景。

标准的ATCA机框管理采用智能平台管理接口IPMI V1.5消息机制。机框管理控制器(ShMC)作为ATCA系统物理资源和状态管理的中心,通过智能平台管理总线(Intelligent Platform Management Bus,IPMB)与各个单板上的智能平台管理控制器(Intelligent Platform Management Controller,IPMC)进行通信,实现对整个机框的物理健康特征,如温度、风扇工作状态等的监控和管理[4]。

本文所设计的高性能服务器,基于简化了的ATCA架构,采用2U机架式结构,考虑到成本和机箱结构尺寸的限制,系统中没有ShMC机框管理模块,无法选用符合ATCA规范的标准风扇控制模块完成系统的温控管理,因此需自行设计温控散热系统。

1 温控散热系统的功能要求和整体设计方案

服务器运行时的温度是其性能状态的一个重要影响因素,而运行时的噪声是其用户体验的一项重要指标。服务器的温控散热系统,用来管理服务器的温度和风扇转速,根据服务器主板CPU的温度,对风扇转速进行监控,在保证设备安全运行的前提下,降低风扇转速,减小噪声。另外,考虑到服务器采用的风扇数量多、功率大,如果风扇在小范围频繁改变转速将产生大量的非稳态噪声,而非稳态噪声要比风扇恒定转速所产生的稳态噪声对人体产生更大的伤害[5]。因此,稳定、可靠、噪声低的温控散热系统具有重要意义。

在该温控散热系统中,ATCA前板上的IPMC模块用来监测温度,并将温度信息提供给风扇控制板的IPMC;风扇控制板采用一个基于微处理器的MCU系统实现简化的IPMC功能,一方面与ATCA主板通信,获取板卡的温度信息,另一方面根据接收到的温度信息对机箱风扇进行智能监控,实现风扇的调速和测速。ATCA前板上的IPMC和风扇控制板上的IPMC模块通过一组基于I2C接口的IPMB总线进行通讯。

2 温控散热系统的硬件设计

根据整体设计要求,服务器温控系统的硬件结构如图1所示,由风扇控制板、ATCA前板的IPMC模块、温度监测模块等组成。其中,风扇控制板作为温控散热系统的核心部件,其硬件主要包括处理器模块、风扇模块、接口模块和电源模块等,下面将对其各模块的硬件实现进行详细介绍。

2.1 处理器模块

作为温控散热系统的核心,风扇控制板上的微控制器用于实现简化的IPMC功能,其主要功能为通过IPMB总线与ATCA前板上的IPMC模块进行通讯,接收ATCA前板上CPU的温度信息,执行风扇转速控制算法,通过对风扇控制芯片的控制,实现机箱风扇的多级调速和运行状态的实时监测。

本设计采用意法半导体推出的基于CortexTM-M3内核的32位ARM闪存微控制器STM32F103,工作频率高达72MHz,具有独立的指令和数据总线,运算速度快;内置64KB闪存和20KB高速SRAM;有多达9个通信接口,支持I2C、USART、USB等通信协议;具备丰富的快速I/O端口;工作温度范围-40～85℃,供电电压为2.0～3.6V,可满足集高性能、低功耗、实时性好、性价比高于一体的嵌入式领域应用的设计要求,其丰富的片上资源,可极大地简化系统的硬件设计[6]。

STM32F103系列MCU除了具备良好的硬件特性外,编程开发简单,调试方便,增强了其在各种应用环境中的植入性和拓展性。

2.2 风扇的选型及结构设计

风扇作为服务器机箱散热的主体,是系统稳定运行的重要保障。如何选择一款适合的风扇,对于温控散热系统的设计而言,也是一个重要的考虑因素。本设计使用直流风扇采用强迫风冷的方式为机箱内的各板卡进行散热。

由于服务器内ATCA前板的功率高达200瓦,后插板的功率将近30瓦,若风扇散热能力不够,ATCA前板将会因部分芯片温度过高而工作不稳定或宕机,甚至导致部分器件、PCB的损坏;而风扇的散热能力也并不是越大越好,散热能力越大,意味着其转速越快,从而产生更大的噪音和能耗。

综合考虑风扇的供电方式、尺寸、散热能力、噪音以及寿命等性能参数,本设计选用山洋电气公司的PWM四线调速风扇9GE0412P3K03。所谓PWM,即脉冲宽度调制,将其应用于风扇上,可实现风扇转速的精确控制。根据不同的温度,实时调节脉宽信号,风扇会有不同的转速与之对应,转速级别多,响应速度快,与温度的变化几乎同步。PWM风扇在服务器待机时,保持在一个非常低的转速,降低了噪音;当CPU负载增加时,转速提高,达到较好的散热性能,实现了温度控制和风扇噪音之间的平衡,延长了风扇的使用寿命。

PWM四线调速风扇的引脚分别为电源V+、PWM控制信号、转速反馈信号和地线V-。硬件设计中,由于风扇和控制电路的电源不共地,风扇的PWM控制信号和转速反馈信号均需使用光电耦合器件进行信号隔离保护。风扇正常运转时,其转速反馈信号输出的是一个方波,根据方波信号的频率可换算出风扇的转速,实现风扇转速的测量;风扇故障或者停转时,输出恒定为一个高电平或低电平。

此外,在进行机箱结构设计时,除确保更大的散热空间外,合理的散热结构也是关系到服务器能否稳定工作的重要因素。为了在相同风扇转速下,增强风扇的散热能力,设计中将靠近ATCA前板上CPU侧的风扇设计为向外抽风,而另一侧的风扇则向内鼓风。在风流经过的通道上,尽量减少阻挡,而在周边区域,尽量增加阻挡,减少风流损失,使其集中通过板卡所在区域,从而尽可能多地将热量直接带出机箱[7]。另外,风扇的装配位置需留有进风和回风空间,有效地减小风扇在进风口和出风口处的啸叫声,降低噪音。

2.3 接口电路设计

为了实现对PWM风扇的智能控制,风扇控制板需提供相应的风扇调速和测速信号接口,产生占空比可调的多级PWM调速信号,并对多路风扇转速反馈信号进行精确测量。硬件设计中,选用ADI公司的ADT7470实现PWM风扇控制及速度监控,该芯片通过I2C总线直接与处理器接口,可同时独立控制4个风扇的转速;通过外部硬件控制,使风扇在极热条件下或系统启动过程中保持100%的转速[8]。

风扇控制板上的简易IPMC除了提供对外的两路IPMB总线,与ATCA前板上的IPMC进行通讯外;对内还需提供一路本地I2C,用于风扇控制器ADT7470的控制。由于STM32F103本身只有两路I2C接口,设计中选用NXP公司的SC18IS600作为标准SPI和串行I2C总线之间的接口,使微控制器与风扇控制器ADT7470直接进行通信。

2.4 电源模块的选型及设计

本文中的高性能服务器基于ATCA规范设计,其上的ATCA主板、后板等需符合PICMG3.0规范,要求完全兼容直流-43V～-72V供电电压[9],系统采用了1+1冗余的-48V直流电源输入。

对于风扇控制板而言,其上的PWM风扇使用+12V直流电源供电,单个风扇的额定电流为0.84A;微处理器及其他接口电路等使用+3.3V供电。根据所需电源电压及最大功率要求,本设计选用了开放式隔离电源模块和直流电源模块,分别将输入的-48V电源转换为所需电压,为风扇及控制电路等供电,其电源拓扑结构如图2所示。

3 系统软件设计

本论文所设计的温度控制系统,其软件模块根据所完成的功能将在ATCA前板的IPMC和风扇控制板的简易IPMC上运行,如图3所示。

3.1 温度获取模块

ATCA前板上的IPMC用于获取温度信息,并将其提供给风扇控制板上的简易IPMC。系统上电后,ATCA前板上的管理电源为IPMC模块上电,IPMI (Intelligent Platform Management Interface)程序启动,执行各模块的初始化操作,然后轮询获取ATCA前板上的温度等信息,温度监控函数通过I2C总线访问温度传感器,获得ATCA前板上CPU温度,并对其进行预处理,若温度数据异常(异常温度设为100℃),ATCA前板上的IPMC将重新启动服务器;若温度数据在正常范围内,通过IPMB将温度数据按照I2C总线的数据发送格式,送给风扇控制板的简易IPMC进行后续处理。

3.2 温度接收模块

当风扇控制板上简易IPMC的I2C总线接收到温度数据后,将I2C总线状态设置为忙,中断函数将对数据进行处理,此时不再接收数据信号;直到数据处理完毕后,将I2C总线设置为空闲,然后进行数据接收。

3.3 风扇控制算法及模块实现

风扇控制板上的简易IPMC接收到温度信息后,按照设计好的风扇调速策略和算法,将温度数据转换为相应的风扇转速级别。风扇控制系统采用基于阈值控制的风扇调速策略,通过合理的阈值设置,随着温度的变化改变PWM的占空比,控制风扇的转速变化,从而达到散热需求。同时,在保证散热的前提下,尽可能地降低风扇转速,并且当温度处于阈值范围内波动时,控制系统并不对风扇转速进行调整,这样避免了温度波动而导致的风扇频繁调速,可使服务器工作在安全的温度范围内,同时产生较低的稳态噪声和非稳态噪声。

服务器启动时,系统初始化尚在执行过程中,无法采集并处理CPU的温度信息,为保证服务器的安全运行,防止ATCA前板的CPU温度过高,默认将风扇转速设为最高。当服务器完全启动后,风扇控制板的简易IPMC接收到ATCA前板IPMC发送的温度信息,开始执行转速控制程序。

本系统中,根据服务器及ATCA前板CPU的温度要求,设定了4个温度阈值,对应4个温度区间,由低到高依次为安全阈值、警告阈值、严重警告阈值和危险阈值。根据实验测试结果,本设计中分别将70℃、85℃、90℃和100℃作为安全阈值、警告阈值、严重警告阈值和危险阈值。当温度高于危险阈值时,服务器运行将被视为异常,ATCA前板的IPMC将重新启动服务器。

为了保证当PWM波形因为故障而全部为低电平时,风扇能够正常运行,本论文设计的风扇控制板同时具有手动控制和自动控制两种风扇控制方法。通过将风扇控制板上的简易IPMC处理器的4个GPIO引脚连接到一个四位拨码开关上,实现风扇16个转速级别的手动控制。拨码开关的默认值为0,STM32F103进入风扇自动控制流程,执行风扇自动控制算法;当拨码开关的值为除0之外的其他值时,PWM占空比依次升高6%,其中14级对应占空比为90%,15级对应占空比为100%。风扇自动控制算法中设定的4个转速级别,分别对应于手动控制时的4、8、12、15级。STM32F103会根据风扇的转速级别往风扇控制芯片ADT7470相应的寄存器中写入控制数据,ADT7470读取寄存器数据后计算得出PWM占空比,控制风扇转速。

4 实验结果与分析

大量的实验与测试表明,基于本文所设计的温度控制系统能够对风扇转速进行精确的控制,有效地保证了ATCA高性能服务器的散热能力,使系统稳定运行。

在服务器ATCA前板的两颗CPU上运行程序,使CPUA和CPUB的内核全部同时满载正常工作时,读取CPU的温度情况,从而验证风扇模块的最大散热能力。表1为手动控制模式下,风扇转速等级与CPU实测温度的对应关系。

从表1的测试结果可以看到,CPUB的温度始终高于CPUA的温度10℃以上,因此在温度控制系统中,选用CPUB的温度作为参考控制温度。由于温度传感器是集成在CPU芯片内部的,所以实验测试读取的温度值较高,且随着风扇转速等级的提高,CPU温度的降低并不明显。当风扇转速低于4级时,CPU的温度不断上升;当风扇转速高于4级时,CPU的温度随着转速的提高而降低。因此,为了保证系统整体散热需求,在风扇自动控制算法中将服务器待机时的风扇最低转速设置为手动控制模式下的4级。

另外,在距离服务器30厘米处,使用噪声计测量任意4个位置的噪声值,然后取平均值作为该风扇转速等级下的噪声值。表2为手动控制模式下,风扇转速等级与噪声的对应关系,从测试结果可以看到,随着风扇转速的提高,噪声也随之增高。

经测试,在风扇自动控制模式下,服务器稳定工作4小时之后,温升达到热平衡,CPUB的温度稳定在85℃左右,CPUA的温度稳定在75℃左右,保持安全阈值和警告阈值之间,风扇基本以2级转速工作,即手动控制的第8级,降低了风扇噪声,比全速运行时降低了10dB左右。

5 结束语

针对ATCA高性能服务器对温控散热系统的要求,本文设计了一套基于微控制器的风扇控制电路,其上的MCU小系统用于实现简易的IPMC功能,采用了一种基于阈值的风扇调速控制策略,实现了风扇转速的智能监控,并对风扇模块的整体散热能力、噪声等性能指标进行了测试。

实验证明,该设计实现了风扇转速的自动和手动控制,保证了服务器的整体散热能力,使其工作在安全的温度范围内,提高了系统的可靠性,降低了系统的噪声。

摘要：针对单板ATCA高性能服务器对温控散热系统的高稳定性、高可靠性需求,设计了一个基于STM32F103微控制器的风扇控制系统,采用基于阈值的风扇调速控制策略,实现了PWM风扇转速的智能监控。实验证明,该设计可保证服务器的整体散热能力,提高系统的可靠性,降低系统的稳态和非稳态噪声。

关键词：ATCA,高性能服务器,温控散热,噪声

参考文献

[1]王鲁静,陆林燕,郑正奇等.ATCA通用技术平台的设计及其在GEPON中的应用[J].现代通信,2007,(5);58-62

[2]黄高凡.ATCA刀片式服务器散热方案的优化设计[J].工业控制计算机,2013,26(5):48-49,132

[3]电子工程专辑.AdvancedTCA:从规范、技术重点,到应用趋势[EB/OL].(2004.12.31).http://www.eet-cn.com/ART_8800355663_640279_TA_e1a223e4.HTM.

[4]Advanced TCA Specification 3.0 Rev3.0,PICMG Group.

[5]李聪聪,唐求,滕召胜等.刀片服务器风扇控制及系统实现[J].计算机系统应用,2011,20(9):165-169

[6]意法半导体公司.STM32F103增强型系列手册,美国:意法半导体公司,2007.

[7]方行,毛兴江.基于CP-TA标准的ATCA机箱热测试对结构改进效果分析[J].信息通信,2011,(6):67-69;

[8]Temperature Sensor Hub and Fan Controller ADT7470 datasheet,Rev.C.2009-07;

采暖系统中影响散热器散热原因分析 篇9

（一）供暖小区大面积散热器不热

某住宅小区，大部分住宅楼的散热器不热或温度不高，室内温度达不到设计要求，只有靠近小区锅炉房的几栋单元楼可以满足要求。通过分析，如果是设计上的原因，那两种可能性最大，并对这两种可能提出了解决办法：1.小区锅炉房锅炉容量不够，满足不了整个小区的供热要求。解决办法：重新计算小区供热负荷，与锅炉容量进行核算，适当增加锅炉容量。2.采暖系统循环水泵容量不足，造成供回水温差过大的现象，热量不能正常输送。通过与甲方的沟通，发现这个住宅小区是分两期建设的，而锅炉房的容量在最初设计时只考虑了一期的要求。解决办法：提高水泵转速或改换大功率水泵。根据实际情况，要求甲方增加了一台锅炉，解决了小区住宅楼散热器不热的问题。

（二）供暖小区末端建筑物散热器不热

某多层住宅小区，热源为市政热网，在供暖期内只有小区供热管网最末端的两栋住宅楼散热器不热，室内设计温度达不到设计要求，而小区其他住宅楼均正常。后经分析查找，发现造成这种原因是因为设计时管网布置方面的水力平衡欠考虑，使热网水平失调，管网到末端和近端平衡不了，且热源是市政热网，压差较小，流入距热力点较近的楼号流量多，末端的楼号流量太少。遇到这种问题解决办法可以采取：1.在设计时要合理布置管网，认真进行水力平衡计算。2.在余压过大的楼号入口处安装平衡阀，同时可将热网末端的管径适当放大。

（三）供热正常，系统合理，但散热器不热

某办公楼，上午供暖后，散热器一切正常，但到晚上散热器就冰凉了。经查阅设计图纸，楼内采暖系统设计合理，热源及入口压力也能满足设计要求，一时找不到出现这种不热现象的原因所在。后经到现场实地调查，发现散热器内有积气现象，放气后系统恢复正常。系统积气造成散热器不热是采暖设计中最常见的问题，系统积气的原因主要有3种：一是在热水供热系统充水前，系统中存有空气。在系统充水时，空气逐渐被挤到系统的末端和顶部。这时，要打开系统顶部放气阀排出空气，水即充至顶部。但系统内的空气不可能完全排出，在系统的某些部位仍会存有空气，但容积不大时不会影响供暖。二是水中溶有空气。当水逐渐升温时，空气会逐渐从水中分离出来。三是系统在运行过程中，存在跑冒滴漏现象，需要根据压力情况进行补水。系统补水一般是从开式水箱抽取软化水，抽取时会带入少量空气。同时，补入的冷水经过加热又会有一部分空气分离出来。

系统积气的位置：在供暖系统中，水流速越大，空气就越容易被带走。在水平管上水流速大于0.15m/s，在垂直管道上水流速大于0.25m/s时，一般不会造成积气。反之，就会在以下几个部位积气：一是水平管道下弯处;二是管道管径变小处;三是散热器尾部;四是管道变形的最高点。

排气措施：1.施工过程中一定要保证管道的坡度符合设计和施工规范要求。机械循环系统的回水干管应顺水流方向设向下的坡度，以利于排除空气，散热器供水支管应注意顺水流方向设向下坡度，这样不易使散热器内集气，且当系统运行间歇时，易使散热器内的积气排至系统顶部。2.系统积气后就要通过排气装置排气，排气装置有自动排气阀，手动放气阀和集气罐。施工过程中应正确安装集气罐，若集气罐安装不当，积气难以全部排除。排气阀分自动和手动两种。自动排气阀管理起来方便，可将系统内的集气自动排出。但由于产品质量和安装原因，有时达不到理想效果，通病是气孔流水和排气孔堵塞。手动排气装置需要人工操作，如放气不及时就会影响系统的正常运行，但使用比较可靠，只要手动阀门不坏就不会出现问题。

（四）施工运行不当造成局部散热器不热

以上三种现象均是设计原因造成的散热器不热，但也有不是设计原因造成的散热器不热的现象，这时就要从施工和运行的角度找原因，然后按具体情况解决。举例分析如下：

1. 一栋楼的某一环路散热器不热。一栋楼如果大部分环路供暖正常，唯有某一环路散热器不热，遇到这种情况应检查这一环路上的供回水阀门是否全部打开。

2. 个别立管不热。这里所指的个别立管不热是指干管中间任一立管出现不热，无规律性，此时，首先应检查堵塞问题，最常见的堵塞部位在弯头、阀门、立管根部、来回弯等处。

3. 系统亏水造成散热器不热。系统亏水又不能及时补上也会造成散热器不热，亏水的原因有两种：一是初次向采暖系统通水时，未能做到自下而上缓慢流动，系统内的空气未能彻底排出，出现系统假满的现象而循环不良，实际上系统顶层及其他部分未被水充满。此时应停泵将水补满。二是系统丢水，有时因为暖气不热，用户就去放水，造成系统亏水，形成恶性循环。

造成散热器不热的原因有很多种，以上只是实际工作中遇到的几种，而遇到散热器不热时，一定要先找出不热的正真原因，才能有针对性地解决问题，具体的问题要具体对待。遇到散热器不热时寻找原因一般采用一下程序进行检查：先通过设计图纸查找是否是系统设计不合理造成的问题，如水力设计不平衡，造成系统失调，供回水干管是否有设计短路的地方，立管与干管的连接是否正确等问题;现场看系统是否积气，如果是积气造成的不热，就要看采暖系统坡度安装是否正确，在系统最高处是否设置自动放气或集气设施;如果不是以上两种原因造成的散热器不热，这时再看系统入口处供回水的压差是否符合要求;最后就是拆开系统看是否是由于系统被堵塞造成的散热器不热。

摘要：采暖系统中的散热效果达不到供暖要求, 会直接影响到居民的生活质量, 若解决不及时还会带来一些社会问题。文章就暖通设计和施工中遇到的散热器不热的现象进行了原因分析, 找出问题的根本所在, 并针对每一种现象提出解决方案。

关键词：采暖系统,散热器,故障分析

参考文献

[1]陆耀庆.供暧通风设计手册[M].中国建筑工业出版社.

石油钻机电传动系统散热研究 篇10

现今电驱动石油钻机已得到广泛应用,一般来说电驱动石油钻机的电传动系统分两大类,分别为交流变频系统和直流驱动系统。这两种系统内都包含大量的大功率半导体元件,交流变频系统,绞车传动柜就有6只SCR、6只IGBT,在变频器工作时,流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也非常大,变频器的故障率随温度升高而成指数上升,使用寿命随温度升高而成指数下降。环境温度升高10℃,变频器平均使用寿命减半。当半导体元件表面温度达到85℃时,工作就趋于不稳定,不能忽视其发热所产生的影响,为了使整体系统运行可靠、寿命延长,有必要对其发热功率进行统计,利用良好的空气循环和制冷设备进行散热处理。这里只针对交流变频电传动系统进行分析。

2 分析热源及热源发热功率

2.1 变频器

变频器是交流变频电驱动钻机电控系统的主要发热源,而变频器发热主要是由整流部分的SCR与逆变部分的IGBT产生的。这里通过计算SCR和IGBT的损耗来确定变频器的发热功率。

2.1.1 整流部分SCR损耗

在低频情况下的损耗功率主要为通态损耗,确定其通态功耗的简便方法是从制造厂给出的通态损耗功率与通态平均电流关系曲线直接查出,如图1所示。电控系统中的变频器一般采用6脉动单象限整流单元,内部由三相全控桥组成,即B6C全桥模式,内部有6只SCR。消耗总功率为:

PTs=6×PT(AV)

其中:PTs为全桥总消耗功率;PT(AV)为管子的通态最大消耗功率。

由图1可得到最大工作电流时的消耗。

2.1.2 逆变部分IGBT损耗

一般包括通态损耗、断态损耗、开通损耗、关断损耗和驱动损耗,计算发热时主要考虑通态损耗、开通损耗与关断损耗。另外内部的反并联二极管的损耗也不能忽略。

(1)IGBT和并联二极管通态损耗

其中:PSAT为IGBT通态损耗;PF为二极管通态损耗;DT为IGBT导通率;DF为二极管导通率;IC为集电极电流;IM为平均电流;VO为输出电压;R为管子内阻;VCE(SAT)、VCE(F):为集电极、发射级间的饱和电压。

通过图2、3、4可得到上述公式的近似值,经过计算得到IGBT的通态损耗。

(2)IGBT开通损耗和关断损耗

Eon(IM):IC=IM时的Eon

其中:半周期的交换次数n=fc/2fo;fo为调制频率。

Eoff(IM):IC=IM时的Eoff

其中:Eon和Eoff在IGBT特性曲线中能够查到,如图5所示。

二极管的反向恢复损耗为:

Err(IM):IC=IM时的Err

综上所述可得IGBT损耗为:

PTi=PSAT+Pon+Poff+PF+Prr

电抗器损耗为:

Pf=η1η2PK

其中:Pf为电抗器的损耗功率;η1为电抗器的利用系数,一般取0.95;η2为电抗器的负荷系数,一般取0.75;PK为电抗器在额定功率下的功率损耗,根据电抗器厂家提供的参数确定。

(3)制动用斩波器损耗

在制动斩波器中可以将IGBT中流过的电流认为是连续的矩形波,如图6所示,从而进行简单的近似计算。

2.2 铜排及电缆损耗

在系统中使用了大量的铜排和电缆,所以铜排和电缆的发热不容忽视,下面对其进行分析。

其中:PC为母线或电缆的损耗;I为母线或铜排的相电流;ψs为母线的肌肤效应系数;Rz为母线或电缆在工作温度时的直流电阻;L为母线长度。

2.3 配电柜内部元件损耗

一般情况一套电传动系统中使用3-4台的发电柜和3-5屏的MCC,MCC基本形式为抽屉柜,框架断路器、塑壳断路器、接触器和热保护继电器的发热也不能忽视,下面对其进行分析。

(1)发电柜及馈电柜的损耗

式中:Pa为实际损耗;IG为开关的工作电流;IE为开关的额定;PE为器件的额定电流时的损耗(在说明书上可查到)。

其中发电柜发热以进线开关为主,其它小发热元件在这里忽略不计。

(2)MCC柜的损耗

式中:e为MCC柜的利用系数;x为MCC的实际损耗系数;ΣPE为MCC柜的元件损耗之和。

一般情况,工作电流越大,MCC柜内的电器元件发热量也越大。对于MCC相对集中布置的形式,尽可能由MCC制造商提供的损耗功率为准。

2.4 照明及系统对外热传导

在电传动系统中,照明设备的发热量属于稳定型,只要电压、功率稳定,发热量是不变的。照明损耗的一部分转化为热能一部分通过红外辐射方式向外辐射,但红外辐射不能被空气吸收,而透过空气被周围的物体吸收,后给予空气。转化为光的部分也是先射向周围物体,被物体吸收后再转化为热能,后以各种方式传给空气和其它物体。

式中:n1为镇流器或电子镇流器的功率系数,一般取1.2;PN为照明灯具的功率。

系统对外热传导,考虑因素比较多,首先是外界环境温度,然后是房内保温条件,再次是开门次数,还有一些其它不确定因素,计算时考虑内外界环境温差最高,保温条件良好,每次开门的热损失是常数。

式中:K为材料的热传导系数Q=cm(t2-t1);A为传热的面积(这里指电控系统房体表面积);Δt为温度差(这里指电控系统内外温度差);Δl为两端的距离(这里指电控系统房体材料的厚度)。

计算时首先计算保温层的热传导,然后得到温度差再计算房体钢板的热传导,经过两次计算后可得热损耗。

开门的热损耗为:

式中:n为开门次数;c为空气的比热;m为被交换空气的质量(根据交换空气的体积和密度计算质量);Δt为温度差(这里指电控系统内外空气温度差)。

由于室外温度是随着时间的改变而改变的,不能得到一个确切的数值,在计算中,为满足系统的可靠性,选择内外环境温差最高时计算。

3 空调制冷量匹配关系

空调制冷量匹配关系是选择空调的依据,根据以上计算总的发热功率后,统计同时使用系数,得到最大工况下的最大发热功率,空调将在最大时刻连续运转,在不间歇的情况下能满足散热要求,空调的计算如下:

其中:QT为空调所需的制冷量;QI为房内总的发热量;A为房内空间的表面积;To为环境温度;TI为目标的房内温度。

影响空调制冷效率的因素很多,其中包括室外机所处的环境温度、空气滤网的干净程度,内机风机的风阻等因素,这里选择效率因数为1.2,这是保守数字,实际选择应慎重考虑。

另外为节省成本,还要考虑个时效系数,即设备的最大发热量不是总有而是个别情况,且时间不会很长,应选择一个合理的时效系数。

其中,TI目标的房内温度,应规定个区间,这个区间能够满足设备正常工作要求即可。

4 风循环系统

空调选择好了,还需要设计一套优良的风循环系统,不能让热量集中,如果热量集中将不能满足部分元件的冷却要求,这里推荐两种风循环系统(只针对钻机电传动系统)。

4.1 上通风式

上通风式就是空调出来的冷空气通过上部通风管道,经过风孔下来进入到过道中,因为是冷空气比重比热空气大,进入过道后冷空气下沉,通过柜体底部进风孔和柜内风机循环到柜顶,再通过柜顶风道回到空调进风口,这样循环下来后柜内和过道都被循环过了,房体内温度适中效果较好。

4.2 下通风式

下通风式就是空调出来的冷空气通过柜底风道,直接将冷空气进入到柜体底部和柜内风机循环到柜顶,然后通过柜顶风道回到空调进风口,这样循环下来后柜内得到冷却,过道没有经过冷却,温度不一致,但柜内冷却效果很好。

还有另外一种通风形式是基本直接通风式,基本与上通方式相同,只是过道温度太低,人在其中温度难以接受,冷却效果很好,不过柜体表面及元器件容易结露水,这里不详细叙述了。

5 结束语

通过对石油钻机电传动系统的热源、热源发热功率分析及空调制冷计算研究,为电传动系统可靠运行提供了保证。经验证本文提供的计算方法准确可靠,部分适用于其它电器设备的要求。

摘要：分析石油钻机电传动系统的热源及热源发热功率,详细阐述了电控系统空气循环方法、制冷设备、制冷功率及发热功率的计算方法,采取有效的散热方法,为电传动系统稳定运行提供可靠保证。

关键词：散热,石油钻机,发热功率,空气循环,制冷设备

参考文献

[2]莫正康.半导体变流技术(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3]天津电器传动研究所.电气传动自动化技术手册(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2006.