關(guān)于戶外直流開關(guān)電源中采用熱交換方式的介紹

在解決了雨水和潮濕、灰塵、異物、鹽霧侵害造成的危害，滿足IP44、IP55外殼防護(hù)等級的電子設(shè)備如何解決溫度問題？

目前主要通過三種方式來解決。1、通過安裝空調(diào)的方式；2、通過安裝風(fēng)扇的方式來散熱；3、通過熱交換器的方式。

1、空調(diào)一方面污染環(huán)境，另一方面故障率較高，采購價格高，使用交流供電，不適合在戶外使用；

2、采用風(fēng)扇，要有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，風(fēng)道必須要處理好，要通暢，無法滿足IP44、IP55外殼防護(hù)等級的要求，在下雨等潮濕天氣，容易將機(jī)柜外面的濕氣和潮氣帶進(jìn)設(shè)備，損害設(shè)備壽命。而且只能降溫不能加溫，在寒冷情況下設(shè)備需要加熱時，風(fēng)扇抽的是機(jī)柜外的冷風(fēng)，所以加熱加不起來。

3、熱交換器廣泛的應(yīng)用于戶外型的通訊設(shè)備中，尤其是戶外的移動房艙、戶外電源等領(lǐng)域，因為它可以使通訊設(shè)備完全同外界隔離，不受雨水、鹽霧、飛蟲、異物的侵?jǐn)_。

1 戶外電源機(jī)箱散熱的設(shè)計

戶外機(jī)箱通常用來安放各種設(shè)備，根據(jù)尺寸和類型的不同，這些設(shè)備的熱耗從500W到10KW不等，當(dāng)機(jī)箱安裝在不同的環(huán)境條件下，應(yīng)根據(jù)需要安裝空調(diào)或空氣-空氣熱交換器。

戶外機(jī)箱散熱的設(shè)計目標(biāo)是使機(jī)箱內(nèi)的峰值溫度保持在一個確定的水平之下，這一水平通常是由電子設(shè)備制造商設(shè)定的。濕度水平同樣也需予以關(guān)注，但是由于大部份機(jī)箱是密閉的，而且溫度比設(shè)備外環(huán)境空氣的溫度高很多。機(jī)箱內(nèi)的空氣溫度將是電子和散熱設(shè)備所產(chǎn)生熱量的函數(shù)。影響機(jī)箱的其它環(huán)境條件還包括：溫度、太陽輻射、風(fēng)速、機(jī)箱周圍的物體(遮蔽、地表反射、建筑物和樹木)、機(jī)箱設(shè)計(表面面積、外形、油漆)以及空氣滲透。

通常電池后備單元放置在機(jī)箱的獨(dú)立隔間內(nèi)。電池隔間必須通風(fēng)，以消除有害的氣味。機(jī)箱的設(shè)計必須確保電池溫度均勻分布，電池必須盡可能處于25℃。電池不是主動散熱的。

1.1 負(fù)荷計算

現(xiàn)在以一個典型的機(jī)箱進(jìn)行散熱管理系統(tǒng)的設(shè)計。

第一步：待求解溫度是熱平衡實現(xiàn)時機(jī)箱內(nèi)的空氣溫度，用下式來表示：

Q_balance=0=Q_equipment+Q_{solar_load}+Q_{cooling_system}

這里Q_equipment為電子設(shè)備的熱損耗，Qsolar_load是太陽熱輻射產(chǎn)生的熱量，Q_{cooling-system}為散熱系統(tǒng)消除的熱量。太陽熱輻射比較復(fù)雜，它包括了各種模式或熱傳遞所產(chǎn)生的影響，由下式表示：

Q_{solar_load}=Q_radiated+Q_convected+ Q_conducted

通常，Q_radiated的值總為正(朝向機(jī)箱)，但是其它兩項既可為正，也可為負(fù)，取決于機(jī)箱的溫度。因此，如果Q_balance不為0，則機(jī)箱內(nèi)的溫度可能高于或低于設(shè)定的溫度，藉由對流和傳導(dǎo)，機(jī)箱有可能失去或獲得熱量。

1.2 完全主動散熱技術(shù)

一旦需要消除的發(fā)熱功率計算出來之后，散熱系統(tǒng)就必須與戶外機(jī)箱相匹配。例如，如果機(jī)箱空氣溫度必須保持在最大環(huán)境(外部)溫度以下，首選的方法就是安裝空調(diào)裝置。一般情況下，散熱能力并不包括將空氣冷卻下來的能力，因為計算是針對穩(wěn)態(tài)工作進(jìn)行的。

這種系統(tǒng)不包括讓所設(shè)計的系統(tǒng)從55℃或更高的初始溫度冷卻下來的能力。空調(diào)器的出口空氣溫度通常為15℃左右或更低，以達(dá)到散熱需求。

與全被動散熱系統(tǒng)相似，一旦需要消除的熱量計算出來之后，散熱系統(tǒng)必須與戶外機(jī)箱相匹配。例如，如果機(jī)箱溫度保持在最大環(huán)境溫度之上，而負(fù)荷也不是太大，就可以采用空氣-空氣熱交換器。熱交換器適合于密閉的電子設(shè)備隔間，其執(zhí)行和維護(hù)成本(以及電池后備服務(wù))相當(dāng)?shù)?/b>。不同于空調(diào)器，熱交換器消除散熱的能力隨散熱空氣和機(jī)箱空氣值而變化。

1.3 被動散熱技術(shù)

較小的機(jī)箱(里面能承受相對較高的溫度)可藉由被動方式散熱。包括基本的自然(自由)對流散熱和使用一些物相改變的物質(zhì)(PCM)進(jìn)行散熱。自然對流是藉由浮動的流體傳遞實現(xiàn)冷卻，例如，暴露在陽光下的熱箱壁被加熱的較熱流體上升與較冷的流體對流從而達(dá)到散熱的目的。

當(dāng)增加電源設(shè)備時，情況將變得更為復(fù)雜，但是仍然有辦法藉由自然對流帶走設(shè)備所產(chǎn)生的熱量。不過，設(shè)計人員必須牢記總體目標(biāo)是藉由自然對流將熱量傳遞到外部，從而保持較低的內(nèi)部溫度。

PCM是指能夠改變物相的物質(zhì)，通常是在吸收散熱時，從固態(tài)改變?yōu)橐簯B(tài)。典型的PCM包括應(yīng)用在高溫場合下的蠟、鹽和石蠟化合物，以及應(yīng)用在低溫場合下的水(冰)等。在機(jī)箱中，這些物質(zhì)被保存在適當(dāng)密封的盒子內(nèi)，利用它們的熱慣性和物相變化效應(yīng)。

對于內(nèi)部裝有PCM的盒子，白天當(dāng)太陽熱被吸收時，它避免機(jī)箱空氣的溫度升高。在夜間，白天吸收的散熱又將釋放出來。在這一過程中，熱量將繼續(xù)藉由機(jī)箱壁在內(nèi)部與外部之間傳遞。

1.4 電池隔間

用于備份的電池一般安放在與戶外機(jī)箱相連(或它里面)的隔間內(nèi)。這些隔間暴露在太陽熱輻射之下，必須保持制造商所規(guī)定的適當(dāng)溫度。這些隔間必須考慮對電池在工作壽命期間可能釋放出的氣味進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐L(fēng)排放。有好幾種涉及電池隔間的發(fā)熱處理措施，包括空調(diào)器／致冷器、熱電散熱器和空氣-空氣熱交換器。

如果電池隔間的空氣溫度必須保持在最大周圍(外部)條件以下，首選的方法是安裝空調(diào)裝置。對于大多數(shù)系統(tǒng)，這是典型的做法，尤其是對那些用于安裝在全天候條件下的系統(tǒng)。典型空調(diào)器的問題是它們的尺寸太大，成本較高，因為對于很小的隔間來說，它們的性能遠(yuǎn)大于實際所需。

1.5 熱電散熱器

由于大多數(shù)典型電池隔間的散熱負(fù)荷并不大，因此使用熱電散熱器是可行的。這些系統(tǒng)利用可逆電磁熱力學(xué)的珀耳帖效應(yīng)(Peltier effect)進(jìn)行散熱。熱電散熱器雖然可靠，但是散熱效果不夠好，也不適合偏遠(yuǎn)的戶外機(jī)箱。

對于完全被動散熱系統(tǒng)，一旦需要消除的熱損耗功率被計算出來，散熱系統(tǒng)就必須與這個電池隔間相適應(yīng)。如果電池隔間的空氣溫度不必保持在最大外部環(huán)境溫度以下，而負(fù)載也不是太高，則空氣-空氣熱交換器為首選系統(tǒng)。在許多情形下，因為散熱負(fù)載并不是很大，可用直吹風(fēng)扇來消除過剩的熱量和電池隔間里積聚的濕氣。風(fēng)扇還可用于基于熱慣性原理的隔間散熱管理。