結(jié)構(gòu)因素對通風散熱及噪聲的影響

肖訓華　深圳市寶慧和科技有限公司?。ㄉ钲凇?18055）

結(jié)構(gòu)因素對通風散熱及噪聲的影響

肖訓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(jīng)驗，從多個結(jié)構(gòu)因素實驗得出改善的方法。

結(jié)構(gòu)因素通風散熱噪聲影響

0.引言

IEC60601-1醫(yī)用電器設備安全通用要求：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，則必須進行科學的解釋，并提供數(shù)據(jù)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，或者是抽風和鼓風同時采用。

1.1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(chǎn)生的總熱量（W）=100（W）

－ΔT：系統(tǒng)內(nèi)部溫度上升（K）=15度

計算冷卻所需的空氣流量：

圖1. 主機箱散熱方案（抽風）

－Q'：馬達的空氣流量（m3/min）

－Q'：=V/（20ΔT）=100/20×15=0.33（m3/min）

2）選用風扇：

－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）

確認所選用的風扇是否正確。

2.結(jié)構(gòu)因素對通風散熱及噪聲的影響

2.1開孔設計

抽風冷卻主要適用于熱量分布比較均勻的整機或機箱，熱量經(jīng)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(cè)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(nèi)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(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，建議鈑金件設計安裝風扇時，開孔率設計在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，對氣流的阻力減小88%。

2.3外殼出風口的設計

外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(zhuǎn)交和較平滑的轉(zhuǎn)交設計對氣流有較小的阻力。

圖2.

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(chǎn)生噪聲。

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(nèi)，可以提高機箱內(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，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）軸流式抽風系統(tǒng)，是從機箱內(nèi)抽出受熱的空氣，將在機箱內(nèi)減小內(nèi)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(lián)，由于機箱內(nèi)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。

2.5風道的結(jié)構(gòu)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。

（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(nèi)的某點的空氣壓力）和低的動壓（機箱內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)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）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機的最大通風面積。否則會產(chǎn)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(nèi)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。

（4）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(jié)構(gòu)尺寸不受影響時，增大風道面積可減小壓力損失，同時可降低風機的噪聲。

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(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(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 Db。

（2）離機器的后面1米，離地面1米，噪聲不大于50 dB。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(guān)系，從風機抽出來的風如果沖擊到帶孔的鈑金件或塑膠件上時，會產(chǎn)生較大的噪聲。

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）：

該種安裝方式，當風扇懸空時，在風扇與鈑金件之間加墊片，（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。

2.9風機的安裝位置根據(jù)東芝在這方面的設計經(jīng)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鈑金上，因為這樣會出現(xiàn)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的距離。

3.總結(jié)

在醫(yī)療電子設備的機械設計中，電子器件集成度越來越高，散熱設計越來越成為我們結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵瓶頸；本文對醫(yī)療電子設備的通風散熱設計及噪聲限制作了一些比較基礎的分析與試驗。希望能起到拋磚引玉的作用。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設備結(jié)構(gòu)設計原理（修訂版）［M］ .南京：東南大學出版社，2005：6.

1006-6586（2016）03-0107-03

TH7

B