肖訓(xùn)華：結(jié)構(gòu)因素對(duì)通風(fēng)散熱及噪聲的影響

1、肖訓(xùn)華：結(jié)構(gòu)因素對(duì)通風(fēng)散熱及噪聲的影響【作 者】肖訓(xùn)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(lái)越高，在設(shè)計(jì)醫(yī)療電子設(shè)備時(shí)，通風(fēng)散熱以及噪聲抑制成了越來(lái)越難解決的問(wèn)題，本文綜合了多個(gè)項(xiàng)目的熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)結(jié)構(gòu)因素實(shí)驗(yàn)得 出改善的方法?！娟P(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)因素；通風(fēng)；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(shè)備安全通用要求：在環(huán)境溫度35c條件下，工作中產(chǎn)品的可觸摸表面溫度 不得超過(guò)50Co如果同病人接觸，不得超過(guò)41 Co如果超過(guò)41 C,則必須進(jìn)行科學(xué)的解釋，并提供數(shù)據(jù)以證明不會(huì)危及病人安全。1強(qiáng)迫空氣冷卻的基本形式設(shè)備中可能存在單個(gè)模塊的發(fā)熱量極大的情況，如超聲設(shè)備的主機(jī)箱，電源機(jī)箱等，可以單獨(dú) 給這些模塊安裝風(fēng)扇，加強(qiáng)散熱效果，針對(duì)發(fā)熱量 不同的模塊，可以選擇單獨(dú)抽風(fēng)，單獨(dú)鼓風(fēng)，或者抽風(fēng)冷卻主要適用于熱量分布

4、比較均勻的整機(jī) 或機(jī)箱，熱量經(jīng)過(guò)專門的風(fēng)道或直接排到設(shè)備周圍 的大氣中，抽風(fēng)的特點(diǎn)是風(fēng)量大，風(fēng)壓小，各部分 風(fēng)量比較均勻，抽風(fēng)風(fēng)機(jī)一般都裝在機(jī)箱或整機(jī)的 頂部或上側(cè)面。鼓風(fēng)的特點(diǎn)是風(fēng)壓大，風(fēng)量比較集中，鼓風(fēng)冷 卻通常是用在單元內(nèi)熱量分布不均勻的情況，鼓風(fēng) 風(fēng)機(jī)一般裝在機(jī)箱或整機(jī)的底部或下側(cè)面。設(shè)計(jì)過(guò)程中，典型單個(gè)模塊強(qiáng)迫空氣冷卻散熱 方案設(shè)計(jì)如下：是抽風(fēng)和鼓風(fēng)同時(shí)采用。主機(jī)箱散熱方案（抽風(fēng)）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(duì)氣流的阻力減小 88%。主機(jī)箱散熱方案（鼓風(fēng)） 56% FAft加，

5、川口1身叫6眥 FAR1.1系統(tǒng)需求的風(fēng)量大致計(jì)算方法1）測(cè)定設(shè)備的規(guī)格和工作條件：-V:整個(gè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的總熱量（W） =100（W） ?T:系統(tǒng)內(nèi)部溫度上升（K） =15度2）計(jì)算冷卻所需的空氣流量：Q:馬達(dá)的空氣流量（m3min）Q: =V/（20 ? T）=100/20*15=0.33 （m3/min）3）選用風(fēng)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(rèn)所選用的風(fēng)扇是否正確。2結(jié)構(gòu)因素對(duì)通風(fēng)散熱及噪聲的影響 2.1開孔設(shè)計(jì)-何 Wflnr 口 :清 ftHOFM J.L* - BK2.3外殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì)外

6、殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn):避免有氣流的瓶頸，出風(fēng)口的面積和入風(fēng)口的 面積以及風(fēng)扇的有效面積相當(dāng)。減少轉(zhuǎn)交和較平滑 的轉(zhuǎn)交設(shè)計(jì)對(duì)氣流有較小的阻力。出風(fēng)口要設(shè)計(jì)和加工得比較圓滑，沒有毛刺， 可減少氣流的沖擊產(chǎn)生噪聲。入口IOIDIP心仁仁IPILglolplb仁仁IpkIPIP廬IP口oQb出口2.4風(fēng)機(jī)的位置強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻時(shí)，氣流的方向及風(fēng)機(jī)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(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)位于冷空氣的入口處，把冷空氣直接吹入機(jī)箱內(nèi)， 可以提高機(jī)箱內(nèi)的 空氣壓力，并產(chǎn)生一定的渦流， 改善換熱性能，通 常當(dāng)熱源較集中，并且吹風(fēng)可以直接吹向熱源時(shí)， 可用吹風(fēng)系統(tǒng)冷卻。 但是，

7、在吹風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)的 電機(jī)的熱量也被冷空氣帶入機(jī)箱，影響散熱效果。好處是便于設(shè)計(jì)防塵。2）事由流式抽風(fēng)系統(tǒng)，是從機(jī)箱內(nèi)抽出受熱的 空氣，將在機(jī)箱內(nèi)減小內(nèi)部的空氣壓力，風(fēng)機(jī)電機(jī)的熱量不會(huì)進(jìn)入機(jī)箱，而且還可從機(jī)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(fēng)系統(tǒng)與軸流式抽風(fēng)系統(tǒng)并用，或同時(shí)還有多級(jí)風(fēng)扇串聯(lián)， 由于機(jī)箱內(nèi)的系統(tǒng)阻力 太大，或風(fēng)道太長(zhǎng)，單是抽風(fēng)或吹風(fēng)不能滿足要求。風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式合理地組織氣流沿預(yù)定的流道流動(dòng)，稱為風(fēng)道 設(shè)計(jì)，應(yīng)注意一下幾個(gè)方面：1）射流式風(fēng)道-風(fēng)機(jī)輸出來(lái)的氣流不與固定 的邊界相接觸，以自由的擴(kuò)散的形式對(duì)發(fā)熱單元進(jìn) 行冷卻，這種風(fēng)道的冷卻效果差，能源消耗大

8、。2）具有平行風(fēng)道的冷卻系統(tǒng)，要求有氣流進(jìn) 入機(jī)箱后形成高的靜壓（機(jī)箱內(nèi)的某點(diǎn)的空氣壓 力）和低的動(dòng)壓（機(jī)箱內(nèi)兩點(diǎn)間空氣流動(dòng)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(jī)箱比較長(zhǎng)，功率較大，而風(fēng)道截面不增加時(shí)，則必須增加冷卻空氣的流速，如圖（a）所示的結(jié)構(gòu)，上下風(fēng)道截面不變時(shí)， 氣體流到下風(fēng)道叉口 處被壓縮，壓力上升，而且可能出現(xiàn)下風(fēng)道口的壓力 大于上風(fēng)道口的壓力， 將導(dǎo)致氣流回流，為了防止氣 流回流，出口風(fēng)道的截面積應(yīng)大于各部分支風(fēng)道的截 面積的總和。3）如圖（b）所示，采用錐形風(fēng)道時(shí)，可使上主風(fēng)道中任一點(diǎn)的截面積大于支風(fēng)道的截面積。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的面積也不要小于通風(fēng)

9、機(jī)的最大通風(fēng)面積。否則會(huì)產(chǎn)生較大的阻力， 也就是說(shuō)，系統(tǒng)的阻力特性曲線會(huì)越陡，單位時(shí)間內(nèi)的通風(fēng)量會(huì)越小， 對(duì)散熱越不利。另外，特別注意要讓冷卻空氣從熱源中流過(guò)，防止氣流短路。錐風(fēng)道ZL（b）風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式的影響內(nèi)部走線不要擋住風(fēng)路O4）風(fēng)道布置的注意事項(xiàng):風(fēng)道要短而直，拐彎要少，必須采用拐彎時(shí)，盡量加大拐彎的半徑，以減少局部的壓力損失。避免聚然擴(kuò)展或聚然收縮，擴(kuò)展的張角不得超過(guò)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(yīng)盡量使矩形管道接近于正方行形，矩形管道長(zhǎng)邊與短邊之 比不得大于6: 1;管道應(yīng)盡量密封，所有搭接 得臺(tái)階都應(yīng)順著流動(dòng)方向。在結(jié)構(gòu)尺寸不受影響時(shí)，增大風(fēng)道面積

10、可減小 壓力損失，同時(shí)可降低風(fēng)機(jī)的噪聲。當(dāng)風(fēng)道進(jìn)口需要安裝防塵網(wǎng)時(shí)，在防塵的效果 和流體阻力之間要權(quán)衡，同時(shí)防塵網(wǎng)要在系統(tǒng) 外面可拆洗，以保證能定時(shí)清潔防塵網(wǎng)，防止睹塞網(wǎng)眼。（推薦防塵網(wǎng)為線徑 0.15mm,每平 方厘米60目的不繡鋼網(wǎng)），特別注意的是：加 了防塵網(wǎng)會(huì)減小實(shí)際的通風(fēng)面積，但此時(shí)實(shí)際的通風(fēng)面積仍不能小于風(fēng)機(jī)的有效通風(fēng)面積。系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)口盡量遠(yuǎn)離，避免出現(xiàn)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(yīng)按叉排列方式，這樣可以提高氣流 的紊流程度，增強(qiáng)散熱能力，如某產(chǎn)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(dǎo)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(fēng)路上。對(duì)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(yīng)與入風(fēng)口 的中心線相一致或稍低于入風(fēng)口的中心線，這樣可 使電子機(jī)箱內(nèi)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(shè)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(jī)噪聲要求設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備時(shí)，都有一個(gè)整體控制噪聲要求。 如某醫(yī)療設(shè)備噪聲要求：1）離機(jī)器的前面把手 0.5米，離地面1米，噪 聲不大于45 Dbo2）離機(jī)器的后面1米，離地面1米，噪聲不

12、大 于 50 dBo風(fēng)機(jī)安裝對(duì)噪聲的影響在選擇醫(yī)療電子設(shè)備冷卻的風(fēng)機(jī)時(shí)，噪聲是應(yīng) 重點(diǎn)考慮的因素之一。噪聲的大小與風(fēng)機(jī)安裝方法 有較大的關(guān)系，從風(fēng)機(jī)抽出來(lái)的風(fēng)如果沖擊到帶孔 的鉞金件或塑膠件上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。如某 醫(yī)療設(shè)備I/0背板上D08T-12PG安裝如下圖：（風(fēng)扇 裝在機(jī)器里面，出風(fēng)對(duì)著鉞金件吹風(fēng)）。當(dāng)風(fēng)扇分別懸空 0mm, 4mm, 10mm時(shí)，測(cè)得的 機(jī)器的噪聲如下表（測(cè)量機(jī)器的后面，大約距地面， 距機(jī)器各1m。正常上班時(shí)間）：風(fēng)而懸空邁題對(duì)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(dāng)風(fēng)扇懸空時(shí)，在風(fēng)扇與

13、鉞金件之間加墊片，（懸空的高度在 0 10mm）,噪聲會(huì)加大。且有塑膠外殼罩住時(shí)，噪 聲會(huì)有所減小。當(dāng)風(fēng)扇用另外一種安裝方式，如風(fēng)扇固定在鉞金件上，向外抽風(fēng)，如下圖：風(fēng)散裝在機(jī)箱的外面， 向外抽風(fēng)，當(dāng)風(fēng)扇懸空時(shí)，在風(fēng)扇與鉞金件之間加墊 片，（懸空的高度在 010mm）。風(fēng)扇nf定落0 mm2 macefennc4emi.7dB+5 7dB3I34B判6dB另外，在出風(fēng)口加尼龍布防塵網(wǎng)，也會(huì)對(duì)噪聲有減小。在某設(shè)備的降噪聲設(shè)計(jì)時(shí)，把開始的在風(fēng)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(wǎng)對(duì) 氣流的阻力非常小。下圖設(shè)備的風(fēng)扇安裝，當(dāng)把后殼上出風(fēng)口

14、筋內(nèi)側(cè)修大約R0.8時(shí)，離出風(fēng)口約 20cm時(shí)測(cè)噪聲，結(jié)顯。問(wèn)題會(huì)有改善作用。測(cè)得數(shù)據(jù)如下表格所示：當(dāng)間距在 0-4mm之間時(shí)，噪聲會(huì)減小，但再增大間距，噪聲變化不明倒圓角R0.8噪聲的評(píng)估測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)東芝便攜式B超的噪聲從聲強(qiáng)上比某設(shè)備低一點(diǎn)，但是實(shí)際感覺該設(shè)備卻刺耳的多,感覺上是該設(shè)備的噪音頻率比東芝的要高，由于人耳對(duì)噪音的感覺不單是聲強(qiáng)決定的，和聲音的頻率也有很大關(guān)系，所以降低該設(shè)備發(fā)出噪聲的頻率對(duì)此風(fēng)機(jī)的安裝位置根據(jù)東芝在這方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)的安裝非常講究：外殼進(jìn)風(fēng)孔（或出風(fēng)孔）的總面積要不小于風(fēng) 機(jī)總的通風(fēng)面積。風(fēng)機(jī)不論是抽風(fēng)還是鼓風(fēng)，安裝時(shí)都最好不要 直接貼裝在開孔的鍍金上，因

15、為這樣會(huì)出現(xiàn)較 陡的風(fēng)道特性曲線。 單位時(shí)間的通風(fēng)量會(huì)比預(yù) 計(jì)的通風(fēng)量減少，對(duì)散熱不利。最好的是把風(fēng) 扇懸空，不論是出風(fēng)口還是進(jìn)風(fēng)口，都在外面 加開孔的屏蔽罩，并且開孔面積不小于風(fēng)扇的 通風(fēng)面積，屏蔽罩離通風(fēng)機(jī)有 8-10mm勺距離。 這樣保證風(fēng)機(jī)是工作在風(fēng)道阻力最小的點(diǎn)上， 單位時(shí)間內(nèi)的通風(fēng)量最大。散熱最好。某設(shè)備進(jìn)風(fēng)組件，風(fēng)扇安裝位挖空如圖某設(shè)備出風(fēng)組件，風(fēng)扇位置挖空如圖某設(shè)備出風(fēng)組件，屏蔽罩離風(fēng)扇8.5mm,氣流從鉞金開孔流出根據(jù)在鴻基公司做的試驗(yàn)，風(fēng)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(shí)，風(fēng)量與靜壓的關(guān)系曲線 如下圖。風(fēng)扇P1124010H安裝在不同位置時(shí)的特性曲線風(fēng)扇D08T-12PH安裝在不同位置時(shí)的