摘要：为了控制产品内部所有电器件和电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度，本文就从家用电器产品热设计展开分析。
关键词：家用电器产品；热设计；方法
1、热设计一般原则
1.1耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度。
1.2热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比。
1.3热量、热阻和温度是热设计中的重要参数。
1.4温度是衡量热设计有效性的重要参数。
1.5所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求；热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决；热设计中允许有较大的误差。
1.6热设计应考虑的因素包括：尺寸及重量、功耗、产品的经济性、与所要求的元器件的失效率相应的温度极限、电路布局、工作环境。
2、家电热设计的方法
2.1热电模拟
热设计计算大部分都采用了热电模拟法。这种方法有利于电气工程师用熟悉的电路网路表示方法来处理热设计的问题，也有利于用计算机进行热分析。
热电模拟方法：将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或称电位差）；热阻模拟为电阻；热导模拟为电导。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热，可以把热容模拟为电容。
2.2热设计的步骤
2.2.1熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范和其它有关文件，确定设备（和器件）的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低坏境温度范围。
2.2.2确定可以利用的冷却技术和限制条件。
2.2.3对每个电子元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配给每个元器件的失效率，确定每个元器件的最高允许温度。
2.2.4确定每个发热元器件的功耗。
2.2.5画出热电模拟回路图。确定散热器和冷却剂的最高坏境温度。
2.2.6按元器件和设备组装形式，计算热流密度。
2.2.7由电子元器件的内热阻，确定元器件的最高表面温度。
2.2.8确定元器件表面至散热器和冷却剂所需的回路总热阻。
2.2.9根据热流密度及有关因素，对热阻进行分析和初步分配。
2.2.10对初步分配的各类热阻进行评估，以便确定这种分配是否合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能达到这些要求。
2.2.11选择适用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。
2.2.12采用所选择的冷却方法的具体设计程序，对回路中每个热阻进行初步设计。
2.2.13估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案。
2.2.14热设计。
2.2.15进行热仿真，依据仿真结果确定热设计方案。
2.2.16热设计的同时，还应该考虑可靠性、安全性、维修性和电磁兼容性设计。
3、冷却方法的选择
3.1冷却方法可以根据热流密度和温升要求，按下图1所示关系进行选择，这种方法适用于各种温升要求不同的各类设备的冷却。
3.2散热器自然风冷方式的判据。对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2，可采用自然风冷。对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
3.3散热器强迫风冷方式的判据。对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。对通风条件较恶劣的场合，散热器表面的热流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风冷。
4、冷却方法选择举例
某家电产品的功耗为300W，机壳的几何尺寸为248×381×432mm，在正常大气压下，若设备的允许温升为40℃，试问采用那种冷却方法比较合理？
图1
计算热流密度：q=300/2（2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32）=0.04W/cm2
根据图1查得，当△t=40℃，q=0.04W/cm2时，其交点正好落在自然冷却范围内，所有采用自然冷却方法就可以满足要求。
若设备的温升有严格限制，假设只允许10℃，由图1可以看出，需强迫风冷才能满足要求。
5、热安装技术注意事项
5.1热敏元器件应放在设备的冷区，不可直接放在发热元器件之上。
5.2发热量大的元器件应尽可能靠近温度最低的表面安装，并应与表面之间有良好的接触热传导。
5.3.应尽可能减小安装界面及传热路径上的热阻；带引线的电子元器件应尽量利用引线的导热。热安装时应防止产生热应力，要有消除热应力的结构措施。
5.4电子元器件安装的方位应符合气流的流动特性及提高气流紊流程度的原则。为了提高散热效果，在适当位置可以加装紊流器；为降低从元器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条（板）上。若不用粘接时，应尽量减少元器件与印制板或导热条（板）间的间隙。
5.5大功率元器件安装时，若要用绝缘片，应采用具有足够抗压能力和高绝缘强度及导热性能的绝缘片，如导热硅橡胶片。为了减少界面热阻，还应在界面涂一层薄的导热膏。
5.6同一块印制板上的电子元器件，应按其发热量大小及耐热程度分区排列，耐热性差的电子元器件放在冷却气流的最上流，耐热性能好的元器件放在最下游。
5.7有大、小规模集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游处，小规模集成电路块放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。
6、热屏蔽和热隔离
为了减少与元件之间的相互作用，应采用热屏蔽与热隔离的措施，保护对温度敏感的元器件。具体措施包括：①尽可能将流通路直接连接到热沉；②减少高温与低温元器件之间的辐射耦合，加热屏蔽板形成热区与冷区；③尽量降低空气与其它冷却剂的温度梯度；④将高温元器件装在内表面具有高的黑度、外表面低黑度的外壳中，这些外壳与散热器有良好的导热连接。元器件引线是重要的导热通路，引线尽可能粗大。
结束语
综上所述，最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。同时保证产品整体外表面的温度达到使用要求，防止发生烫伤、火灾等隐患。基于此，加强家用电器产品的热设计分析就显得尤其重要。
参考文献
[1]于清教.浅析家用电器产品热设计[J].华章，2016.
[2]孙启萌.试分析电器产品的热设计[J].建筑工程技术与设计，2013.
论文作者:梁国宏
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第27期
论文发表时间:2018/3/2
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