CN110707569A - 基于直触导热与栏栅导流的散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于直触导热与栏栅导流的散热方法，1)将装置的机箱主体和后盖板作为主/辅散热片，对主/辅散热片进行栏栅结构设计和掏空处理，增大装置的主/辅散热片与外部空气的接触面积，减少热阻；2)基于直触导热方式，将装置内部的热源向主/辅散热片散热，更快更均匀地将热量传递给主/辅散热片。本发明有效地增大了主/辅散热片与空气接触面积，保证了装置热量更快地传递到空气中；减少了装置散热片的热阻，可以提高热传递的效率；主散热片凸起和掏空相结合的设计可以有效增大与热源的接触面积，然后通过导热垫的热传递保证热量的有效传递。

Description

基于直触导热与栏栅导流的散热方法

技术领域

本发明属于电力装置散热技术领域，具体涉及一种基于直触导热与栏栅导流的散热方法，可应用于就地化保护装置。

背景技术

当前，电力电子技术和通信技术的不断进步，促进了继电保护技术的不断发展，国家电网提出了新一代保护装置——就地化保护装置。随着就地化保护装置在智能变电站试点的成功应用以及相关行业标准的成熟，就地化保护装置的推广应用将更加广泛。就地化保护装置采用小型化、高防护、低功耗设计，实现就地安装，保障主保护的独立性和速动性。由于就地化保护装置临近变电站一次设备且室外布置，对装置的电磁兼容性、高低温运行环境以及运行可靠性提出了更严格的要求，而就地化保护装置的机箱尺寸由行业标准规定，统一使用航空插头连接，小型化和低功耗的需求给上述高防护的性能实现带来了更大的困难，对装置整体设计提出了更高要求。

常规变电站保护装置通常为保护室内安装，保护室内的环境温度比较稳定，且与户外一次设备相距较远，因此常规的保护装置工作环境温度的要求为-20℃～55℃，且防护等级为IP40；而新一代的就地化保护设备要求与户外的一次设备就近安装，因此保护装置的工作环境温度的要求为-40℃～85℃，且防护等级为IP67。常规保护装置工作环境温度较低，因此无需额外散热设计即可以保证装置的长期可靠性运行。但是就地化保护装置在户外运行，且在IP67的防护等级下进行工作，因此，装置内部的温度远高于环境温度；为了确保装置在严酷的环境下能够可靠运行，必须对就地化设备的硬件做更好更优化的设计。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出基于直触导热与栏栅导流相结合的散热方法，解决了户外装置在满足IP67防护等级的前提下、当处于极热的外部环境温度时，装置不能一直可靠运行的问题；解决了装置工作环境温度较高，导致元器件寿命缩短，不能保证户外装置长期运行，工作寿命不满足行业要求至少10年的问题。本发明所采用的技术方案如下：

基于直触导热与栏栅导流的散热方法，1)将装置的机箱后盖板和机箱主体作为主/辅散热片，对主/辅散热片进行栏栅结构设计和掏空处理，增大装置主/辅散热片与外部空气的接触面积，减少热阻；2)基于直触导热方式，将装置内部的热源向主/辅散热片散热，更快更均匀地将热量传递给主/辅散热片。

优选的，基于直触导热与栏栅导流的散热方法，应用于就地化保护装置：

1)将就地化保护装置的机箱后盖板作为主散热片，机箱主体作为辅散热片，分别对主/辅散热片进行栏栅化设计和掏空处理；

2)将就地化保护装置主板上的功率器件根据在装置内的相对位置，均匀地分布于装置四周，使装置的主散热片各个位置温差更小，保证热量可以更有效地进行热交换；

基于直触导热方式，主板上的热源采取与机箱后盖板3直接接触的方式进行散热，在主散热片与主芯片之间填充厚度为2mm厚的导热垫；

基于直触导热方式，电源模块的散热片与机箱主体1的侧壁之间采用导热垫进行填充；

3)就地化保护装置采用机柜侧壁安装，在装置的挂件上预留通风孔，使装置在未接触太阳光辐射的地方尽可能与冷空气接触。

本发明的有益效果：

1)本发明通过栏栅与导流相结合、直触导热的方式，第一，有效地增大了主/辅散热片与空气接触面积，保证了装置热量更快地传递到空气中；第二，减少了装置散热片的热阻，可以提高热传递的效率；

2)本发明主散热片凸起和掏空相结合的设计可以有效增大与热源的接触面积，然后通过导热垫的热传递保证热量的有效传递；

3)本发明使户外装置在满足IP67防护等级的前提下、当处于极热的外部环境温度时，装置仍能一直可靠运行；并且装置的元器件寿命大大延长，保证装置在户外长期运行，工作寿命能满足行业要求至少10年的标准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，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属于本申请保护范围之内的附图。

图1是本发明实施例的就地化保护装置的结构示意图；

图2a是本发明实施例的主散热片外侧面的栏栅结构及掏空位置示意图；

图2b是本发明实施例的主散热片内侧面的凸起位置示意图；

图3是本发明实施例的光模块与主散热片缝隙填充方式示意图；

图4是本发明实施例的主板芯片分布方式示意图；

图5是本发明实施例的就地化保护装置侧壁安装的示意图。

图中，1－机箱主体，2－密封条，3－机箱后盖板，4－通风孔。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。

就地化保护装置防护等级为IP67，装置内部的热空气无法与外部的冷空气进行热交换带走装置内部所产生的热量。因此，此类型装置的散热可分为两部分：首先是装置内部的热源如何将热量传递给散热片；然后，散热片将收集到的内部热量传递给外部的冷空气。针对上述两部分，本发明实施例所采用的技术手段如下：

一、就地化保护装置向外部冷空气进行散热，通过对主/辅散热片进行栏栅结构设计和掏空处理，尽可能增大装置的主/辅散热片与空气的接触面积，减少热阻。

1.1、将就地化保护装置的机箱分为两部分：机箱后盖板3与机箱主体1，分别作为主散热片和辅散热片。如图1所示，是本发明实施例的就地化保护装置的结构示意图。选择机箱后盖板3作为主散热片(主要用于处理主板的发热器件产生的热量)，机箱主体1作为辅散热片(主要用于处理开关电源产生的热量)。分别对主/辅散热片进行栏栅化处理，既有效地增大了主/辅散热片的散热面积、又可以有效地减少整个机箱的热阻和机箱的重量。

本发明实施例中，机箱后盖板3与机箱主体1两者均采用6063铝合金，导热系数为201W/m.K。机箱主体1与机箱后盖板3之间有用于IP67防护的密封条2，主/辅散热片之间仅通过螺钉紧固进行连接，因此两者在通过空气进行散热时、可看成两个部分，两者之间进行的热交换相对来说比较少。

如图2a所示，是本发明实施例的主散热片外侧面的栏栅结构及掏空位置示意图；如图2b所示，是本发明实施例的主散热片内侧面的凸起位置示意图。主散热片的凸起部分虽然可以与热源直接接触散热，但是同时也增大了主散热片的热阻，因此应该进行掏空处理，既可以增大受热面积、也可以减少热阻；在对凸起进行掏空处理时，掏空处理时保证直径不大于4mm。

根据傅里叶公式Q＝KA△T/d,R＝A△T/Q，其中：Q－热量，单位为K；K－导热率，单位为W/mk；A－接触面积，d－热量传递距离，△T－温度差，R－热阻值；

因此K＝d/R，可以得到：同种材料下，热阻是与d即厚度成正比的，材料越薄，热阻越低。但是就地化保护装置要求在户外可抵御冰雹的冲击，因此主散热片(机箱后盖板3)在进行栏栅设计时，基础厚度为4mm～7mm，凸起的栏栅厚度为3mm～5mm。

根据傅里叶公式可知，当A越大时，△T越小，热交换速率更快，因此散热效果更好。通过上述的栏栅设计和掏空处理，可以将机箱后盖板3与空气接触的表面积增大16％；另外，可以使雨水和尘沙尽快通过栏栅槽，保证装置IP67防护等级，同时，雨水也可以带走部分热量。在增大表面积的同时，还通过掏空处理将主散热片的热阻降到最低。

为了进一步提高散热效果，对辅散热片(机箱主体1)的侧壁进行栏栅化处理。

1.2、就地化保护装置采用机柜侧壁安装，在装置的挂件上预留通风孔4，使装置在未接触太阳光辐射的地方尽可能与“冷空气”接触。

就地化保护装置安装于户外机柜时，此装置正面接受太阳光辐射最为强烈，装置背面接受太阳光辐射最弱，相比来说，装置背面温度低于装置正面温度，因此机箱后盖板3更适合做为散热的主体(主散热片)。在硬件架构设计时，将发热量较小的分板都放置于离机箱正面较近的位置，将发热量较大的主板放置的位置更靠近机箱后盖板。

二、基于直触导热方式，就地化保护装置内部热源向主/辅散热片散热，更快更均匀地将热量传递给主/辅散热片。

2.1、主板上的功率器件根据在装置内的相对位置，均匀地分布于装置四周，使装置的主散热片各个位置温差更小，保证热量可以更有效地进行热交换；散热片单位面积内传递的热量是有限的，如果热源分布相对集中，则凸起的散热片无法第一时间将热量快速有效地传递给后盖板；相反，如果热源分布比较分散，则凸起的散热片可以有效地将热量分流；

2.2、主板上的热源采取与机箱后盖板3直接接触的方式进行散热，在散热片与主芯片之间填充厚度为2mm厚的导热垫；

2.3、电源模块的散热片与机箱主体1的侧壁之间采用导热垫进行填充，既能保证装置的安全距离，又可以使电源模块的热量可以尽快传递给辅散热片，其它主芯片不受电源模块散热的影响。

就地化保护装置防护等级为IP67，与普通插件机箱不同，普通插件机箱为IP40，因此其主板上的发热源可以通过空气的流动，来实现散热的目的。而就地化保护装置内部空气无法通过有效的空气流动来实现散热，因此发热源只能把相对静止的空气作为载体，将热量传递给主/辅散热片来达到散热目的。

下面以就地化保护装置的光模块为例进行说明。就地化保护装置在进行1m自由跌落时，由于装置自重，而且装置内部的印制板会发生形变，如果主散热片与光模块之间直接接触，光模块会有机械应力，造成内部集成电路损坏，因此主散热片的凸起与热源之间要预留足够的间隙，同时要保证热源与主散热片之间的热传递不受影响。我们用导热材料进行空隙填充，以达到直接接触的目的。此材料的导热率为3W/m.K，与空气的导热率0.024W/m.K相比，是空气导热率的150倍，因此能更快速的把热源的热量传给主散热片上的凸起；通过填充物质，主散热片上的凸起可以与热源达到直接接触目的。如图3所示，是本发明实施例的光模块与主散热片缝隙填充方式示意图。

填充材料的导热系数为3W/m.K，辅散热片的导热率为201W/m.K，空气的导热率为0.024W/m.K，因此三者在进行热传递时，热传递的瓶颈在于空气，因此如果热源全都集中在一个位置，势必会造成热量瞬时全部集中在机箱某个位置，然后再传到机箱的其它位置，造成热量的反射，达不到散热目的。因此，就地化保护装置的主板在进行架构设计时，在考虑到高速芯片布局布线的同时，将发热源均匀分布于板卡平面，将热传递的瓶颈降到最低。如图4所示，是本发明实施例的主板芯片分布方式示意图。

由于就地化保护装置小型化的要求，整个装置的垂直高度比较低，再由于电源模块的散热需求，如果将电源模块在主散热片上进行散热，考虑到装置在高海拔地区应用的场合，装置的安全距离无法得到满足，或者垂直高度无法满足设计需求，因此电源模块只能选择通过辅散热片进行散热。如图5所示，是本发明实施例的就地化保护装置侧壁安装的示意图。辅散热片即机箱主壳体接受太阳光辐射比较多，主散热片即后盖板与机箱壳体紧贴，且一直处于背太阳光辐射状态；机壳上设计的通风孔4，可以保证主散热器的通风。

本发明的关键点是，主/辅散片的栏栅设计、装置内部的直触导热方式，以及整个系统的散热方案，通过上述结合技术手段，提高了就地化保护装置的散热效果。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于直触导热与栏栅导流的散热方法，其特征在于：

1)将装置的机箱后盖板和机箱主体作为主/辅散热片，对主/辅散热片进行栏栅结构设计和掏空处理，增大装置的主/辅散热片与外部空气的接触面积，减少热阻；

2)基于直触导热方式，将装置内部的热源向主/辅散热片散热，更快更均匀地将热量传递给主/辅散热片。

2.根据权利要求1所述的散热方法，应用于就地化保护装置，其特征在于，

1)将就地化保护装置的机箱后盖板作为主散热片，机箱主体作为辅散热片，分别对主/辅散热片进行栏栅化设计和掏空处理；

2)将就地化保护装置主板上的功率器件根据在装置内的相对位置，均匀地分布于装置四周，使装置的主散热片各个位置温差更小，保证热量可以更有效地进行热交换；

基于直触导热方式，主板上的热源采取与机箱后盖板直接接触的方式进行散热，在主散热片与主芯片之间填充厚度为2mm厚的导热垫；

基于直触导热方式，电源模块的散热片与机箱主体的侧壁之间采用导热垫进行填充；

3)就地化保护装置采用机柜侧壁安装，在装置的挂件上预留通风孔，使装置在未接触太阳光辐射的地方尽可能与冷空气接触。

3.根据权利要求2所述的散热方法，其特征在于，对主散热片进行栏栅设计时，基础厚度为4mm～7mm，凸起的栏栅厚度为3mm～5mm。

4.根据权利要求3所述的散热方法，其特征在于，对主散热片的凸起进行掏空处理时，保证直径不大于4mm。

5.根据权利要求4所述的散热方法，其特征在于，对辅散热片的侧壁进行栏栅化处理。

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