CN104507299A - 一种采用自然对流散热的电气设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种采用自然对流散热的电气设备，包括散热器和后背板，其中：所述散热器裸露装设于所述电气设备的机箱后壁上；所述后背板与所述电气设备的机箱后壁连接后将所述散热器包围起来，形成上下相通的独立风道，以实现在满足电气设备散热需求的前提下，降低散热器的重量、减小散热器的体积。

Description

一种采用自然对流散热的电气设备

技术领域

本发明涉及电气设备散热技术领域，更具体地说，涉及一种采用自然对流散热的电气设备。

背景技术

中小功率逆变器等电气设备通常采用自然对流散热方式对内部电子元件进行散热，散热器裸露在逆变器机箱外部，与大气环境充分接触，通过浮升力驱动空气流动实现自然散热。由于自然对流散热的单位面积热流密度较小，因此散热器需要更大的体积和重量来增加散热面积，以满足散热需求，但散热器体积和重量的增加必然会提高电气设备生产、运输及安装成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种采用自然对流散热的电气设备，以实现在满足电气设备散热需求的前提下，降低散热器的重量、减小散热器的体积。

一种采用自然对流散热的电气设备，包括散热器和后背板，其中：

所述散热器裸露装设于所述电气设备的机箱后壁上；

所述后背板与所述电气设备的机箱后壁连接后将所述散热器包围起来，形成上下相通的独立风道。

其中，所述后背板为表面呈折叠结构的后背板。

其中，所述后背板为表面呈波纹结构的后背板。

其中，所述后背板为表面呈瓦楞形式波纹结构的后背板。

其中，所述后背板为表面呈平板结构的后背板。

其中，所述后背板为表面呈镂空结构的后背板。

其中，所述后背板为采用一块不锈钢或铝合金通过钣金加工成型的后背板。

可选地，所述后背板上设有安装孔。

可选地，所述后背板上设有防盗结构件。

可选地，所述电气设备为逆变器。

从上述的技术方案可以看出，本发明通过在散热器表面覆盖后背板，通过后背板和机箱后壁将散热器包围起来，以形成上下通风的风道结构，使得散热器可以在风道内形成“烟囱效应”；同时，后背板3能够在一定程度上吸收散热器2发射的热辐射，降低散热器2的温度，后背板3吸收热辐射以后，依靠自身的自然对流散热将热量散失到大气环境中，从而提升散热器自然对流的散热效果。由于本实施例仅需在电气设备原有结构上增设后背板，无需通过以增加散热器的重量、加大散热器的体积为代价来满足电气设备的散热需求，因此不会影响电气设备生产、运输及安装成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种后背板表面呈平板结构的电气设备结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种后背板表面呈镂空结构的电气设备结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种后背板表面呈横向波纹结构的电气设备结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种后背板表面呈纵向波纹结构的电气设备结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种表面呈波纹结构的后背板结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种电气设备，以实现在满足电气设备散热需求的前提下，降低散热器的重量、减小散热器的体积，包括散热器2和后背板3，其中：

散热器2裸露装设于所述电气设备的机箱1后壁上；

后背板3与所述电气设备的机箱1后壁连接后将散热器2包围起来，形成上下相通的独立风道。

现有技术中，散热器2直接裸露在大气环境里，背贴墙壁设置，但墙壁吸收散热器2的热辐射换热能力很差，针对此问题，本实施例在散热器2表面覆盖后背板3，通过后背板3和机箱1后壁将散热器2包围起来，构成上下通风的风道结构，使得散热器2可以在风道内形成自然散热的“烟囱效应”，强化风道内部气流的抽吸作用，从而通过加强空气流动的程度来提升散热器2自然对流的散热效果。同时，后背板3能够在一定程度上吸收散热器2发射的热辐射，降低散热器2的温度，后背板3吸收热辐射后依靠自身的自然对流散热将热量散失到大气环境中，同样提升了散热器2自然对流的散热效果。由于本实施例仅需在电气设备原有结构上增设后背板3，无需通过以增加散热器2的重量、加大散热器2的体积为代价来满足电气设备的散热需求，因此不会影响电气设备生产、运输及安装成本，解决了现有技术存在的问题。

其中，所述电气设备包括但不限于逆变器。

作为优选，后背板3可作为电气设备的挂件使用，如在后背板3上设计安装孔101，安装孔101分布在后背板3的四角上，用于将电气设备固定在挂架上，从而省去额外的挂件设计，减小整机结构复杂程度，节省成本。此外，后背板3上还可设置防盗结构件等。

其中，后背板3可采用一块不锈钢或者铝合金通过钣金加工成型，喷涂或者阳极氧化均可。后背板3与机箱1后壁之间可采用焊接等固定方式实现紧固连接，但并不局限。

其中，后背板3表面可以是如图1所示的平板结构；可以是如图2所示的镂空结构；也可以是折叠结构，如波纹结构等，波纹形式包括但不限于瓦楞形式波纹，波纹方向不限于横向波纹(如图3所示)或纵向波纹(如图4所示)。

相较于表面呈平板结构的后背板3和表面呈镂空结构的后背板3，表面呈折叠结构的后背板3可增加辐射接收面积和对流换热面积，有效缩短散热路径，提高散热效果。表面呈折叠结构的后背板3的散热效果优于表面呈平板结构的后背板3，表面呈平板结构的后背板3的散热效果优于表面呈镂空结构的后背板3。

下面，以理论计算的方式证明增加后背板3后有利于提升散热器2的自然对流散热效果。

空间中两个物体表面之间的净辐射换热量

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{A_1{F}_{\mathrm{1,2}}(E_{b1}-E_{b2})}{F_{\mathrm{1,2}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)+F_{\mathrm{1,2}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}-1)}={\mathrm{\ϵ}}_S{A}_1{F}_{\mathrm{1,2}}(E_{b1}-E_{b2})$     式(1)，

式中， ${\mathrm{\ϵ}}_S=\frac{1}{F_{\mathrm{1,2}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}-1)+F_{\mathrm{2,1}}(\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_2}-1)}$     式(2)；

其中，A₁表示第一物体表面的面积，单位：m²；E_b1和E_b2分别表示第一物体表面和第二物体表面的黑体辐射强度，E_b1＝σT₁ ⁴，E_b2＝σT₂ ⁴，单位：W/m²；σ为斯忒藩-玻尔兹曼常量，其值等于5.67×10^-8W/(m·K⁴)；T₁和T₂分别表示第一物体表面和第二物体表面的热力学温度，单位：K；F_1,2表示第一物体表面和第二物体表面的视角系数，单位：1；F_2,1表示第二物体表面对第一物体表面的视角系数，单位：1；ε₁和ε₂分别表示第一物体表面和第二物体表面的发射率，单位：1；ε_S表示系统发射率，单位：1。

针对本实施例的电气设备，以采用自然散热的小功率SG6K逆变器为例，假设其采用阳极氧化散热器和铝合金黑色氧化细波纹后背板，则第一物体表面代表阳极氧化散热器的散热表面积，经测量A₁＝1.248m²；第二物体表面代表铝合金黑色氧化细波纹后背板的表面积，用A₂表示，经测量A₂＝1.248m²。根据视角系数的计算性质，可得F_1,2＝0.1074，F_2,1＝0.70。

已知，阳极氧化散热器表面的发射率ε₁＝0.9，铝合金黑色氧化细波纹后背板表面发射率ε₂＝0.85。

将F_1,2、F_2,1、ε₁和ε₂代入式(2)，则ε_S＝0.8486；

环境温度45℃时，分别测得阳极氧化散热器表面温度t₁＝83℃，铝合金黑色氧化细波纹后背板表面温度t₁＝54℃，则T₁＝t₁+273＝356K，T₂＝t₂+273＝327K。代入(1)式，则Φ_1,2＝29.71W。

阳极氧化散热器的散热功率的实测值为285W，增加铝合金黑色氧化细波纹后背板后，可以增加散热29.71W，增加散热效率为29.71/285＝10.42％。反映到温升上，可降低散热器温度约(83℃－45℃)*10.42％＝3.96℃。从计算过程可以看出，后背板面积越大，增加散热的效果越明显。表1为该算例的理论计算结果。

表1-后背板理论换热效果

项目

后背板面积A2

散热器温度t1

后背板温度t2

散热量Φ1,2

增加散热效率

散热器温度降幅

算例

0.1915m2

83℃

54℃

29.71W

10.42％

3.96℃

为了验证理论计算结果的准确性，本实施例设置了4种不同形式的实验项目进行实验，如表2中实验项目1、实验项目2、实验项目3和实验项目4。实验项目1与上述算例的参数一致，因此，实验结果的温度降幅基本与理论计算结果一致。其他实验项目的温度降幅由于后背板辐射面积或发射率不同而略有区别。可见，实验测试结果与理论计算结果基本吻合。

表2-后背板实验换热效果

实验结果证明，本实施例具有降低散热器2温度的效果，实验与理论计算结果基本吻合，不同的后背板表面结构和表面处理对散热效果的影响不同，采用铝合金黑色氧化细波纹后背板最大可降低3.86℃。

图5为波纹后背板(即表面呈波纹结构的后背板)结构示意图，波纹后背板具有波峰106、波谷107、波纹108等，几个参数定义如下：两个相邻波峰或者波谷之间水平距离为波长v，垂直距离为振幅A，相邻的波峰和波谷之间的波纹长度定义为波线长l，波峰或者波谷的夹角定义为波度角φ，波纹的总水平长度定义为总波长s，波纹个数定义为波数n，波纹的波纹线总长度(也即波纹拉直以后的总长度)定义为总波线长t，t的大小决定波纹后背板的面积大小。

根据几何学可得下列关系：

    式(3)，

从式(3)可以看出，在一定的总波长s范围内，总波线长t只与总波长s和波度角有关，而与波线长l、振幅A、波长v和波数n无关，且随波度角的减小而增大。

设计时，可根据系统外形要求和加工工艺，选取合适的振幅A、波线长l、波长v以及波度角优选的，波度角取90°，波线长l取8.8mm，振幅A取7.13mm，总波长s取245mm，则总波线长t为

总波线长t增至1.4142倍，说明波纹后背板的辐射面积增加至原来的1.4142倍。波纹后背板的辐射面积越大，波纹后背板的强化辐射效果越好。

综上所述，本发明通过在散热器表面覆盖后背板，通过后背板和机箱后壁将散热器包围起来，以形成上下通风的风道结构，使得散热器可以在风道内形成“烟囱效应”；同时，后背板3能够在一定程度上吸收散热器2发射的热辐射，降低散热器2的温度，后背板3吸收热辐射以后，依靠自身的自然对流散热将热量散失到大气环境中，从而提升了散热器自然对流的散热效果。由于本实施例仅需在电气设备原有结构上增设后背板，无需通过以增加散热器的重量、加大散热器的体积为代价来满足电气设备的散热需求，因此不会影响电气设备生产、运输及安装成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种采用自然对流散热的电气设备，其特征在于，包括散热器和后背板，其中：

所述散热器裸露装设于所述电气设备的机箱后壁上；

所述后背板与所述电气设备的机箱后壁连接后将所述散热器包围起来，形成上下相通的独立风道。

2.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述后背板为表面呈折叠结构的后背板。

3.根据权利要求2所述的电气设备，其特征在于，所述后背板为表面呈波纹结构的后背板。

4.根据权利要求3所述的电气设备，其特征在于，所述后背板为表面呈瓦楞形式波纹结构的后背板。

5.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述后背板为表面呈平板结构的后背板。

6.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述后背板为表面呈镂空结构的后背板。

7.根据权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述后背板为采用一块不锈钢或铝合金通过钣金加工成型的后背板。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述后背板上设有安装孔。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述后背板上设有防盗结构件。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备为逆变器。