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結(jié)構(gòu)因素對(duì)通風(fēng)散熱及噪聲的影響

肖訓(xùn)華深圳市寶慧和科技有限公司（深圳518055）

由于電子元器件以及PCBA的集成度越來越高，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越難解決的問題，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。

結(jié)構(gòu)因素通風(fēng)散熱噪聲影響

0.引言

IEC60601-1醫(yī)用電器設(shè)備安全通用要求：在環(huán)境溫度35?C條件下，工作中產(chǎn)品的可觸摸表面溫度不得超過50?C。如果同病人接觸，不得超過41?C。如果超過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)，或者是抽風(fēng)和鼓風(fēng)同時(shí)采用。

1.1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）

－ΔT：系統(tǒng)內(nèi)部溫度上升（K）=15度

計(jì)算冷卻所需的空氣流量：

圖1. 主機(jī)箱散熱方案（抽風(fēng)）

－Q'：馬達(dá)的空氣流量（m3/min）

－Q'：=V/（20ΔT）=100/20×15=0.33（m3/min）

2）選用風(fēng)扇：

－Q：最大空氣流量（m3/min）：Q'=Q×2/3

－Q：= Q'3/2=0.33×3/2=0.5（m3/min）

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)

抽風(fēng)冷卻主要適用于熱量分布比較均勻的整機(jī)或機(jī)箱，熱量經(jīng)過專門的風(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。

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，建議鈑金件設(shè)計(jì)安裝風(fēng)扇時(shí)，開孔率設(shè)計(jì)在60%以上。

2.2常見的開孔模式

如圖2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%。

2.3外殼出風(fēng)口的設(shè)計(jì)

外殼出風(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。

圖2.

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。

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，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）軸流式抽風(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。

2.5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。

（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）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)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，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，防止氣流短路。

（4）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)道面積可減小壓力損失，同時(shí)可降低風(fēng)機(jī)的噪聲。

2.6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)致在該板的U22處的溫度極高。

2.7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。

2.8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 Db。

（2）離機(jī)器的后面1米，離地面1米，噪聲不大于50 dB。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)抽出來的風(fēng)如果沖擊到帶孔的鈑金件或塑膠件上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

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）：

該種安裝方式，當(dāng)風(fēng)扇懸空時(shí)，在風(fēng)扇與鈑金件之間加墊片，（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。

2.9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鈑金上，因?yàn)檫@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的距離。

3.總結(jié)

在醫(yī)療電子設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)中，電子器件集成度越來越高，散熱設(shè)計(jì)越來越成為我們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵瓶頸；本文對(duì)醫(yī)療電子設(shè)備的通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)及噪聲限制作了一些比較基礎(chǔ)的分析與試驗(yàn)。希望能起到拋磚引玉的作用。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（修訂版）［M］ .南京：東南大學(xué)出版社，2005：6.

1006-6586（2016）03-0107-03

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