一种强迫风冷散热装置及其设计方法与流程

1.本发明涉及轨道交通变流器领域，尤其涉及交流器中的强迫风冷散热装置及其设计方法。


背景技术：

[0002]“更环保”是轨道交通设备发展的重要方向之一，这就迫使各设备厂商追求更优的噪声性能。变流器作为轨道车辆动力系统的核心设备，因其内部集成了大量电子元器件，通常装配大流量离心风机进行强迫风冷散热，不可避免产生噪声问题。随着市场竞争的加剧及业主噪声指标的日益严苛，如何改善变流器产品噪声水平已成为设计人员亟待解决的技术难题。
[0003]
轨道交通变流器散热系统以强迫风冷为主，大流量离心风机为最主要噪声源，其噪声频谱主要表现为叶片通过频率(blade passing frequency，bpf)及其2倍频、3倍频的单频特征，以叶片通过频率处噪声为主，如图1所示。噪声主要由风道进口和出口向外传播，如何开发出适合变流器结构特点和声源特性的进/出口消声装置已成为设计难题。
[0004]
随着小型化和轻量化的趋势，变流器机箱结构紧凑，变流器散热系统的典型风道结构示意图见图2，变流器机箱内由变流器功率元件产生的热空气在离心风机104的抽力作用下，经进口过滤器101后通过散热元件102，将热量带走。经过散热后的气流经过离心风机的进风腔103在离心风机104轴向吸风、径向出风的作用下，经过离心风机104的进风口向下，经过离心风机104的增压作用排入风机腔体105，随后向出风口排风。噪声主要由风道进口和出口传播。由于整个风道结构紧凑，通用消声结构无应用空间，目前主要降噪措施为风机腔体105铺设吸音棉，吸收部分声能。这种降噪措施的局限在于：
[0005]
1)吸声材料的吸声特性决定了其对中高频噪声降噪效果好，对中低频噪声降噪效果有限。目前变流器离心风机的噪声源主要集中于500hz以内的单频噪声，吸声材料降噪效果有限；
[0006]
2)对进口方向噪声传播没有消声效果；
[0007]
3)吸声材料成本较高；
[0008]
4)铺设吸声材料存在脱落、老化、燃烧等风险，且不易更换。
[0009]
有鉴于此，希望能够提供一种强迫风冷散热装置，能够针对现有的强迫风冷散热装置的结构，在保证散热装置流动性不受影响的情况下，有针对性地高效消除离心风机的低频噪声，并且希望消声结构可靠，无安全隐患，成本可控。


技术实现要素：

[0010]
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
[0011]
为了解决现有技术中，用于轨道交通变流器的散热装置中的离心风机噪声过大，难以针对性地高效消除的问题，本发明提供了一种强迫风冷散热装置及其设计方法。根据本发明，能够巧妙利用现有结构的空间流动特性，在不影响甚至优化了腔体内流动阻力损失的情况下，有针对性地且高效地消除了由离心风机引起的低频噪声，结构可靠成本低廉，且无安全隐患。
[0012]
本发明的一方面所提供的强迫风冷散热装置至少包括离心风机和散热组件，上述离心风机的进风腔连接上述散热组件，上述离心风机通过上述进风腔吸风以迫使气流流经过散热组件，其中
[0013]
上述进风腔内设置有导流板，上述导流板抑制上述进风腔内的涡流区；
[0014]
上述导流板上设置有至少一个旁支管路，各个旁支管路的管长关联于上述离心风机的叶片通过频率，以消除噪声。
[0015]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，上述导流板的位置、形状及曲率关联于上述离心风机的进风口在上述进风腔中的位置。
[0016]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，上述导流板的位置、形状及曲率还关联于预设的流动损失指标。
[0017]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，各个旁支管路的管长为声速与消声频率的比的四分之一，其中
[0018]
上述消声频率为上述叶片通过频率、上述叶片通过频率的两倍频、上述叶片通过频率的三倍频中的一者。
[0019]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，上述导流板上设置有多个旁支管路，多个旁支管路对应的多个消声频率为上述叶片通过频率、上述叶片通过频率的两倍频、上述叶片通过频率的三倍频中的一者或多者。
[0020]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，多个旁支管路对应的多个消声频率中至少包括上述叶片通过频率。
[0021]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，多个旁支管路中消声频率越小的旁支管路越靠近上述离心风机的进风口。
[0022]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，上述旁支管路的数量以及管长还关联于预设的传声损失指标。
[0023]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，各个旁支管路的截面面积关联于上述传声损失指标；和/或
[0024]
各个旁支管路在上述导流板上的位置关联于上述传声损失指标。
[0025]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，上述离心风机所在的风机腔体的出风口连接一发热元件，以使经过上述散热组件散热后的气流流经上述发热元件。
[0026]
在上述强迫风冷散热装置的一实施例中，可选的，上述强迫风冷散热装置安装在变流器机箱内，上述散热组件的前端连接产生热量的变流器功率元件。
[0027]
本发明的另一方面还提供了一种强迫风冷散热装置的设计方法，上述强迫风冷散热装置至少包括离心风机和散热组件，上述离心风机的进风腔连接上述散热组件，上述离心风机通过上述进风腔吸风以迫使气流流经过散热组件，其中，上述设计方法包括：
[0028]
对上述进风腔进行第一流场分析，以至少确定上述进风腔内涡流区的位置；
[0029]
根据第一流场分析结果确定设置在上述进风腔内的导流板，上述导流板抑制上述涡流区；
[0030]
根据上述离心风机的叶片通过频率确定多个消声频率，并根据各个消声频率确定用以消除该消声频率噪声的旁支管路的管长；以及
[0031]
根据各个消声频率对应的旁支管路的管长和上述导流板在上述进风腔内的位置确定设置在上述导流板上的旁支管路的消声频率和数量；其中
[0032]
上述导流板上设置有至少一个旁支管路，以消除噪声。
[0033]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，根据第一流场分析结果确定设置在上述进风腔内的导流板进一步包括：
[0034]
根据上述第一流场分析结果中的流动特征和涡流区位置确定上述导流板的位置、形状及曲率；其中
[0035]
上述第一流场分析结果关联于上述离心风机的进风口在上述进风腔中的位置。
[0036]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，上述设计方法还包括：
[0037]
在确定了上述旁支管路后，对设置有上述导流板的进风腔进行第二流场分析，以确定流阻损失；以及
[0038]
响应于第二流场分析结果中的流阻损失不满足预设的流阻损失指标，调整上述导流板的位置、形状及曲率，并对设置有调整后的导流板的进风腔进行上述第二流场分析，直到
[0039]
调整后的导流板使设置有该导流板的进风腔对应的流阻损失满足预设的流阻损失指标。
[0040]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，根据上述离心风机的叶片通过频率确定多个消声频率进一步包括：确定多个消声频率为上述叶片通过频率、上述叶片通过频率的两倍频和上述叶片通过频率的三倍频；
[0041]
根据各个消声频率确定用以消除该消声频率噪声的旁支管路的管长进一步包括：
[0042]
对于各个消声频率，消除该消声频率噪声的旁支管路的管长为声速与该消声频率的比的四分之一。
[0043]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，根据各个消声频率对应的旁支管路的管长和上述导流板在上述进风腔内的位置确定设置在上述导流板上的旁支管路的消声频率和数量进一步包括：
[0044]
以数量为一、消声频率为上述叶片通过频率为旁支管路的初始状态对设置有导流板的进风腔进行传声损失分析；
[0045]
响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，调整设置在上述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率，并对设置有调整后的导流板的进风腔进行传声损失分析；直到
[0046]
设置在上述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率使设置有该导流板的进风腔对应的传声损失量满足预设的传声损失指标。
[0047]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，调整设置在上述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率还包括：
[0048]
额外设置至少一个旁支管路，以使上述导流板上设置有多个旁支管路，并确定多个旁支管路对应的多个消声频率为上述叶片通过频率、上述叶片通过频率的两倍频、上述叶片通过频率的三倍频中的一者或多者。
[0049]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，响应于上述导流板上设置有多个旁支管路，上述设计方法还包括：
[0050]
根据上述导流板在上述进风腔内的位置调整各个旁支管路在上述导流板上的位置，并使多个旁支管路中消声频率越小的旁支管路越靠近上述离心风机的进风口。
[0051]
在上述设计方法的一实施例中，可选的，响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，上述设计方法还包括：
[0052]
调整各个旁支管路的截面面积；和/或
[0053]
调整各个旁支管路在上述导流板上的位置。
[0054]
根据本发明所提供的强迫风冷散热装置及其设计方法，能够在不改变现有变流器机箱内部的强迫风冷散热装置的基本结构的情况下，巧妙地利用了离心风机进风腔内部的流动特性，设置导流板来抑制进风腔内部原有的涡流区，从而能够优化进风腔内部的流动阻力损失，并且更利用了导流板，在导流板上设置了针对离心风机特有噪声频率的消声结构，从而能够在改善进风腔内流动特性的同时有针对性地消除离心风机进口处的噪声，低频降噪效果好且针对性强，结构可靠成本低廉，且无安全隐患。
附图说明
[0055]
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
[0056]
图1示出了现有技术中变流器机箱内离心风机的噪声频率。
[0057]
图2示出了现有技术中变流器机箱内强迫风冷散热装置的风道示意图。。
[0058]
图3示出了现有技术中进风腔结构的俯视图及气流状态。
[0059]
图4示出了本发明的一实施例所提供的进风腔结构的俯视图及气流状态。
[0060]
图5示出了本发明所提供的进风腔结构的消声原理示意图。
[0061]
图6示出了本发明的另一实施例所提供的进风腔结构的俯视图。
[0062]
图7示出了本发明的另一实施例所提供的进风腔结构的俯视图。
[0063]
图8示出了本发明的另一方面所提供的强迫风冷散热装置的设计方法的流程示意图。
[0064]
附图标记
[0065]
101
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进口过滤器
[0066]
102
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散热元件
[0067]
103
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进风腔
[0068]
104
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离心风机
[0069]
1041
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离心风机的进风口
[0070]
105
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风机腔体
[0071]
106
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发热元件
[0072]
107
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出风罩
[0073]
108
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导流板
[0074]
109
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
旁支管路
具体实施方式
[0075]
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
[0076]
给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。
[0077]
在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。
[0078]
请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
[0079]
注意，在使用到的情况下，标志左、右、前、后、顶、底、正、反、顺时针和逆时针仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。
[0080]
为了解决现有技术中，用于轨道交通变流器的散热装置中的离心风机噪声过大，难以针对性地高效消除的问题，本发明提供了一种强迫风冷散热装置及其设计方法。
[0081]
首先请结合图2来理解本发明所提供的强迫风冷散热装置所应用的场景。本发明所提供的强迫风冷散热装置安装在变流器机箱内，散热组件102的前端连接变流器机箱内产生热量的变流器功率元件(变流器功率元件未在图2中示出)。
[0082]
由变流器功率元件产生的热空气在离心风机104的抽力作用下，经进口过滤器101后通过散热元件102，将热量带走。经过散热后的气流经过离心风机的进风腔103在离心风机104轴向吸风、径向出风的作用下，经过离心风机104的进风口向下，经过离心风机104的增压作用排入风机腔体105，随后向出风口排风。
[0083]
在一实施例中，离心风机104所在的风机腔体105的出风口还连接一发热元件106，以使经过散热组件102散热后的气流流经发热元件106后从出风罩107流出，从而能够再次对发热元件106散热，提高散热效率。在一实施例中，发热元件106可以是变流器机箱内的电抗器。
[0084]
从图2示出的风道结构可以知道，本发明所应用的变流器机箱给风道结构的设计空间有限，而噪声主要由风道进口和出口传播，但整个风道结构紧凑，通用消声结构无应用空间。有鉴于此，本发明提供了一种强迫风冷散热装置，对图2示出的变流器机箱内部的强迫风冷散热装置进行改进，尤其是对进风腔103进行改进。
[0085]
请结合图3和图4来理解本发明的一方面所提供的设置在进风腔103内的导流板以及设置在导流板上的旁支管路。首先请参考图3，图3示出了现有技术中离心风机的进风腔结构的俯视图及气流状态。现有技术中，离心风机的进风腔103为空心立方体结构，其连接散热元件的一面不设有腔体壁，从而形成了方形的气道。结合图2可知，进风腔103设置在离心风机的上方，进风腔的底部设有开口，与离心风机的进风口1041相连接。经过散热元件散热后的气流从不设有腔体壁的一侧进入，从图3中反映为从右侧进入，流向下方的离心风机，气流方向由水平流动转向垂直流动。在现有的结构中，离心风机的进风口1041在进风腔底部的位置根据不同的设计标准而不同。在如图3所示出的实施例中，离心风机的进风口1041并非安装在整个进风腔103的中心，而是在靠近进风腔103尽头的一侧侧壁附近，从图3上体现为离心风机的进风口1041位于左下方。这就使得气流的流动结构不对称，导致风机对角位置存在较大的流动死区，该区域充满倒流、旋涡流动，流动掺混剧烈，流阻损失大且会激发二次流动噪声，即图中的涡流区。
[0086]
为了避免由于涡流区的存在导致的各种问题，请参考图4，本发明根据原始气流流动特点，在离心风机的进风腔103内设置了抑制涡流区的导流板108，从而能够减小气流经过进风腔103的流阻损失。
[0087]
为了设计导流效果更好的导流板108，可以先对原始的进风腔103进行流场分析，从而确定流阻大小、流动特征及涡流区位置。从而能够根据流动特征获得气体的流线方向，沿着流线方向设置抑制涡流区的导流板108。由于原始进风腔的流阻大小、流动特征及涡流区位置均关联于离心风机的进风口1041在进风腔103中的位置，因此，在设计时，导流板108的位置、形状、曲率等都关联于离心风机的进风口1041在进风腔103中的位置。
[0088]
为了保证导流板108能够满足预设的流动损失指标，需要对导流板108的位置、形状和曲率进行调整，从而保证能够提供符合流动损失指标，起到导流作用的导流板108。
[0089]
可以理解的是，导流板的位置指的是导流板设置在进风腔中的位置。导流板的形状则指向导流板具有的侧壁形态，如图4中，导流板具有一个主侧壁。而在图7示出的实施例中，导流板具有对称的两个侧壁。导流板的曲率则指向侧壁的弯曲程度。
[0090]
进一步的，为了消除离心风机进风口处的噪声，如图4所示出的，本发明根据原始气流流动特点，使导流板108局部开口，增加旁支管路109，管长设计为声波波长(噪声声波)的1/4，形成1/4波长管消声结构。其基本原理见图5，当噪声声波经进风腔进入旁支管路109后，声波被旁支管路109的封闭端反射回到进风腔103，行进距离为1/2波长，某些频率的声波与进风腔103中同样频率的声波由于相位相反而相互抵消，幅值为0，达到消声目的。消声频率与对应旁支管路109管道长度关系式见式(1)。
[0091][0092]
式中：f为消声频率，c为声速，s为旁支管路管道长度。
[0093]
由于变流器风机噪声频谱具有明显的单频特征，消声频率明确，1阶叶片通过频率一般分布在300
‑
500hz之间，对应1/4波长管长度为0.287
‑
0.172m，适用于风机腔降噪设计，进口端消声量可达到3dba。
[0094]
进一步的，可以理解的是，对于不同的变流器离心风机，其1阶叶片通过频率根据风机转速及叶片数来确定，即叶片通过频率为转速与叶片数的乘积，如上所描述的，各个离
心风机的1阶叶片通过频率为主要消声频率。
[0095]
另外，根据图1可以知道，除了1阶叶片通过频率，消声频率还可以为叶片通过频率的两倍频、叶片通过频率的三倍频或者四倍频。
[0096]
在进风腔内部空间允许的情况下，请参考图6、7，可以在导流板108上设置多个旁支管路109，从而提高消噪量。多个旁支管路109对应的多个消声频率为所述叶片通过频率、所述叶片通过频率的两倍频、所述叶片通过频率的三倍频中的一者或多者。
[0097]
在一实施例中，如图6所示出的，设置在导流板108上的多个旁支管路109分别对应不同的消声频率，例如，所设置的旁支管路的管长s1、s2、s3分别对应叶片通过频率、叶片通过频率的两倍频及叶片通过频率的三倍频。
[0098]
在另一实施例中，如图7所示出的，设置在导流板108上的多个旁支管路109可以对应同一个消声频率，也就是说，增加这个消声频率的消噪量。在图7所示出的实施例中，离心风机104安装在进风腔103的中间位置，虽然这种情况下，流场已经接近对称，但在两侧角区仍不可避免产生涡流流动，因此，可以通过设置具有对称的两侧侧壁形状的导流板108，并在两侧侧壁上分别设置用以消除噪声的旁支管路109。
[0099]
作为两者的结合，若导流板上设置有三个旁支管路，三个旁支管路中的两个可以对应同一个消声频率，另一个旁支管路对应另一个消声频率，从而能够实现多个消声频率的消噪，并且能够保证特定消声频率的消声量。
[0100]
考虑到1阶叶片通过频率是离心风机的主要噪声来源，因此，及时设置有多个旁支管路，希望尽可能地使多个旁支管路对应的多个消声频率中至少包括1阶叶片通过频率。
[0101]
另外，考虑到消声效果、旁支管路的长度等，当设置有多个旁支管路时，多个旁支管路中消声频率越小的旁支管路越靠近离心风机的进风口。
[0102]
可以理解的是，设置在导流板上的旁支管路的数量以及管长是关联于预设的传声损失指标。也就是说，旁支管路的消声频率以及数量是为了满足预设的传声损失指标。上述的传声损失指标指的是噪声的传递损失量，理论上来说，希望能够通过设置旁支管路使得传声损失尽可能大，从而尽可能地消除噪声。
[0103]
旁支管路的管长对应的是该旁支管路能够有效消除的噪声的频率，从而影响传声损失。另一方面，在消声频率确定的情况下，该消声频率的消噪量，也就是传声损失还关联于该旁支管路的开口的横截面积。旁支管路的开口的横截面积关联于旁支管路开口的高度和宽度。其中，在本发明中，旁支管路的开口的高度与导流板的高度相同，而其宽度，即图4中的l，可以根据预设的传声损失指标调整。作为示意，可以以导流板的长度的1/10作为旁支管路开口宽度l的初始值。在另一实施例中，各个旁支管路在导流板上的位置同样关联于传声损失指标。
[0104]
根据本发明所提供的导流板以及其上所设置的旁支管路，可根据流阻大小及尺寸空间，灵活设计旁支管路数量增加消声量，也可根据离心风机噪声频谱特征，分别针对叶片通过频率、两倍甚至三倍叶片通过频率设计不同长度的旁支管，不仅能够改善流阻损失，还能够有效、有针对性地消除离心风机带来的噪声。
[0105]
至此，已经描述了本发明的一方面所提供的强迫风冷散热装置的具体结构。能够在不改变现有变流器机箱内部的强迫风冷散热装置的基本结构的情况下，巧妙地利用了离心风机进风腔内部的流动特性，设置导流板来抑制进风腔内部原有的涡流区，从而能够优
化进风腔内部的流动阻力损失，并且更利用了导流板，在导流板上设置了针对离心风机特有噪声频率的消声结构，从而能够在改善进风腔内流动特性的同时有针对性地消除离心风机进口处的噪声，低频降噪效果好且针对性强，结构可靠成本低廉，且无安全隐患。
[0106]
本发明的另一方面还提供了一种强迫风冷散热装置的设计方法。上述设计方法包括：对上述进风腔进行第一流场分析，以至少确定上述进风腔内涡流区的位置；根据第一流场分析结果确定设置在上述进风腔内的导流板，上述导流板抑制上述涡流区；根据上述离心风机的叶片通过频率确定多个消声频率，并根据各个消声频率确定用以消除该消声频率噪声的旁支管路的管长；以及根据各个消声频率对应的旁支管路的管长和上述导流板在上述进风腔内的位置确定设置在上述导流板上的旁支管路的消声频率和数量；其中上述导流板上设置有至少一个旁支管路，以消除噪声。
[0107]
根据第一流场分析结果确定设置在上述进风腔内的导流板进一步包括：根据上述第一流场分析结果中的流动特征和涡流区位置确定上述导流板的位置、形状及曲率；其中上述第一流场分析结果关联于上述离心风机的进风口在上述进风腔中的位置。
[0108]
在一实施例中，在确定了上述旁支管路后，本发明所提供的设计方法的另一方面还包括：对设置有上述导流板的进风腔进行第二流场分析，以确定流阻损失；以及响应于第二流场分析结果中的流阻损失不满足预设的流阻损失指标，调整上述导流板的位置、形状及曲率，并对设置有调整后的导流板的进风腔进行上述第二流场分析，直到调整后的导流板使设置有该导流板的进风腔对应的流阻损失满足预设的流阻损失指标。
[0109]
根据上述离心风机的叶片通过频率确定多个消声频率进一步包括：确定多个消声频率为上述叶片通过频率、上述叶片通过频率的两倍频和上述叶片通过频率的三倍频。根据各个消声频率确定用以消除该消声频率噪声的旁支管路的管长进一步包括：对于各个消声频率，消除该消声频率噪声的旁支管路的管长为声速与该消声频率的比的四分之一。
[0110]
根据各个消声频率对应的旁支管路的管长和上述导流板在上述进风腔内的位置确定设置在上述导流板上的旁支管路的消声频率和数量进一步包括：以数量为一、消声频率为上述叶片通过频率为旁支管路的初始状态对设置有导流板的进风腔进行传声损失分析；响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，调整设置在上述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率，并对设置有调整后的导流板的进风腔进行传声损失分析；直到设置在上述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率使设置有该导流板的进风腔对应的传声损失量满足预设的传声损失指标。
[0111]
响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，调整设置在上述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率还包括：额外设置至少一个旁支管路，以使上述导流板上设置有多个旁支管路，并确定多个旁支管路对应的多个消声频率为上述叶片通过频率、上述叶片通过频率的两倍频、上述叶片通过频率的三倍频中的一者或多者。
[0112]
响应于上述导流板上设置有多个旁支管路，上述设计方法还包括：根据上述导流板在上述进风腔内的位置调整各个旁支管路在上述导流板上的位置，并使多个旁支管路中消声频率越小的旁支管路越靠近上述离心风机的进风口。
[0113]
响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，上述设计方法还包括：调整各个旁支管路的截面面积；和/或调整各个旁支管路在上述导流板上的位置。
[0114]
请参考图8来理解本发明的一方面所提供的设计方法。如图8所示出的，本发明所提供的设计方法主要包括：
[0115]
1、输入：提供离心风机转速及叶片数，用于确定叶片通过频率及其n倍频；提供离心风机的进风腔尺寸及离心风机的安装位置。
[0116]
2、初步确定导流板布置方案：采用计算流体力学软件，对原始离心分机的进风腔进行流场分析，确定流阻大小、流动特征及涡流区位置，初步确定导流板布置方案，即确定导流板的位置、形状和曲率。可以理解的是，根据流场分析的结果，能够沿着流线方向设置抑制涡流区的导流板。
[0117]
3、确定旁支管路的长度、横截面积及数量：根据离心风机转速及叶片数，确定风机叶片通过频率(即转速与叶片数的乘积)，以此频率为主要消声频率。按照公式(1)计算主要消声频率对应的旁支管路的长度，旁支管路的开口的横截面积及位置对流阻损失及传声损失有影响。在该步骤中，取开口的高度为腔体高度，宽度为导流板长度的1/10，开孔位置取风机进口附近，数量取为1，并以一倍频对应的管道长度为初始设计方案。在后续步骤中再对旁支管路的长度、横截面积和数量通过仿真迭代进行调整以最终确定。
[0118]
4、流阻分析：通过步骤2和3，确定了导流板及旁支管路布置方案，需通过计算流体力学软件进行流阻仿真评估，当流阻损失满足要求时进行传声损失分析，如果不满足要求，需要重新优化导流板的位置及曲率形状。需要注意的是，本领域技术人员可以通过现有或将有的流体力学软件对整个流道进行流阻仿真评估。流阻仿真评估所采用的流体力学软件不应不当地限制本发明的保护范围。
[0119]
5、传声损失分析：通过声学有限元软件，对带有旁支管路的离心风机进风腔体进行传声损失分析，评估消声频率下的消声量大小。如果满足要求则设计结束。如果不满足要求，则需对旁支管路的横截面积、数量进行优化，重新进行流阻分析及传声损失分析验证。
[0120]
在重新对旁支管路的横截面积、数量进行优化的过程中，如果腔体尺寸有限，无法多布置一倍频叶片通过频率下的旁支管路，可针对2倍或3倍叶片通过频率设计旁支管路的长度，增加消声量。
[0121]
需要注意的是，本领域技术人员可以通过现有或将有的声学有限元软件对整个流道，尤其是进风腔体进行传声损失分析。传声损失分析所采用的声学有限元软件不应不当地限制本发明的保护范围。
[0122]
根据本发明所提供的强迫风冷散热装置的设计方法，能够根据不同的离心风机参数、进风腔尺寸、离心风机安装在进风腔的位置等对进风腔进行分析，从而能够有针对性地设计合适的带有旁支管路的导流板。也就是说，能够针对不同风机噪声频谱特点进行定制化设计，实用性强，尤为有效地解决变流器中低频噪声，从而使得设计出的强迫风冷散热装置能够有效抑制离心风机的进口噪声传播。
[0123]
综上来说，本发明所提供的强迫风冷散热装置及其设计方法具有以下有益效果：
[0124]
(1)：合理利用现有风机进风腔存在的无效流动空间，不改变现有尺寸空间条件下实现进口消声，且降低流阻损失10％以上，适用性强；
[0125]
(2)：对风机叶片通过频率及其倍频噪声降噪效果明显，单频降噪量可达10
‑
15dba，噪声总值降噪3dba左右；
[0126]
(3)：可针对不同风机噪声频谱特点进行定制化设计，实用性强，解决变流器中低
频噪声尤为有效，可有效抑制强迫风冷变流器进口噪声传播；
[0127]
(4)：成本低廉，无安全隐患。
[0128]
至此已经描述了本发明所提供的强迫风冷散热装置及其设计方法。提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
[0129]
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd
‑
rom、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
[0130]
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd
‑
rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

技术特征：
1.一种强迫风冷散热装置，其特征在于，所述强迫风冷散热装置至少包括离心风机和散热组件，所述离心风机的进风腔连接所述散热组件，所述离心风机通过所述进风腔吸风以迫使气流流经过散热组件，其中所述进风腔内设置有导流板，所述导流板抑制所述进风腔内的涡流区；所述导流板上设置有至少一个旁支管路，各个旁支管路的管长关联于所述离心风机的叶片通过频率，以消除噪声。2.如权利要求1所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，所述导流板的位置、形状及曲率关联于所述离心风机的进风口在所述进风腔中的位置。3.如权利要求2所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，所述导流板的位置、形状及曲率还关联于预设的流动损失指标。4.如权利要求1所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，各个旁支管路的管长为声速与消声频率的比的四分之一，其中所述消声频率为所述叶片通过频率、所述叶片通过频率的两倍频、所述叶片通过频率的三倍频中的一者。5.如权利要求4所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，所述导流板上设置有多个旁支管路，多个旁支管路对应的多个消声频率为所述叶片通过频率、所述叶片通过频率的两倍频、所述叶片通过频率的三倍频中的一者或多者。6.如权利要求5所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，多个旁支管路对应的多个消声频率中至少包括所述叶片通过频率。7.如权利要求5所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，多个旁支管路中消声频率越小的旁支管路越靠近所述离心风机的进风口。8.如权利要求1所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，所述旁支管路的数量以及管长还关联于预设的传声损失指标。9.如权利要求8所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，各个旁支管路的截面面积关联于所述传声损失指标；和/或各个旁支管路在所述导流板上的位置关联于所述传声损失指标。10.如权利要求1
‑
9中任意一项所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，所述离心风机所在的风机腔体的出风口连接一发热元件，以使经过所述散热组件散热后的气流流经所述发热元件。11.如权利要求1
‑
9中任意一项所述的强迫风冷散热装置，其特征在于，所述强迫风冷散热装置安装在变流器机箱内，所述散热组件的前端连接产生热量的变流器功率元件。12.一种强迫风冷散热装置的设计方法，所述强迫风冷散热装置至少包括离心风机和散热组件，所述离心风机的进风腔连接所述散热组件，所述离心风机通过所述进风腔吸风以迫使气流流经过散热组件，其特征在于，所述设计方法包括：对所述进风腔进行第一流场分析，以至少确定所述进风腔内涡流区的位置；根据第一流场分析结果确定设置在所述进风腔内的导流板，所述导流板抑制所述涡流区；根据所述离心风机的叶片通过频率确定多个消声频率，并根据各个消声频率确定用以消除该消声频率噪声的旁支管路的管长；以及
根据各个消声频率对应的旁支管路的管长和所述导流板在所述进风腔内的位置确定设置在所述导流板上的旁支管路的消声频率和数量；其中所述导流板上设置有至少一个旁支管路，以消除噪声。13.如权利要求12所述的设计方法，其特征在于，根据第一流场分析结果确定设置在所述进风腔内的导流板进一步包括：根据所述第一流场分析结果中的流动特征和涡流区位置确定所述导流板的位置、形状及曲率；其中所述第一流场分析结果关联于所述离心风机的进风口在所述进风腔中的位置。14.如权利要求13所述的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：在确定了所述旁支管路后，对设置有所述导流板的进风腔进行第二流场分析，以确定流阻损失；以及响应于第二流场分析结果中的流阻损失不满足预设的流阻损失指标，调整所述导流板的位置、形状及曲率，并对设置有调整后的导流板的进风腔进行所述第二流场分析，直到调整后的导流板使设置有该导流板的进风腔对应的流阻损失满足预设的流阻损失指标。15.如权利要求12所述的设计方法，其特征在于，根据所述离心风机的叶片通过频率确定多个消声频率进一步包括：确定多个消声频率为所述叶片通过频率、所述叶片通过频率的两倍频和所述叶片通过频率的三倍频；根据各个消声频率确定用以消除该消声频率噪声的旁支管路的管长进一步包括：对于各个消声频率，消除该消声频率噪声的旁支管路的管长为声速与该消声频率的比的四分之一。16.如权利要求12所述的设计方法，其特征在于，根据各个消声频率对应的旁支管路的管长和所述导流板在所述进风腔内的位置确定设置在所述导流板上的旁支管路的消声频率和数量进一步包括：以数量为一、消声频率为所述叶片通过频率为旁支管路的初始状态对设置有导流板的进风腔进行传声损失分析；响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，调整设置在所述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率，并对设置有调整后的导流板的进风腔进行传声损失分析；直到设置在所述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率使设置有该导流板的进风腔对应的传声损失量满足预设的传声损失指标。17.如权利要求16所述的设计方法，其特征在于，响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，调整设置在所述导流板上的旁支管路的数量以及消声频率还包括：额外设置至少一个旁支管路，以使所述导流板上设置有多个旁支管路，并确定多个旁支管路对应的多个消声频率为所述叶片通过频率、所述叶片通过频率的两倍频、所述叶片通过频率的三倍频中的一者或多者。18.如权利要求17所述的设计方法，其特征在于，响应于所述导流板上设置有多个旁支管路，所述设计方法还包括：
根据所述导流板在所述进风腔内的位置调整各个旁支管路在所述导流板上的位置，并使多个旁支管路中消声频率越小的旁支管路越靠近所述离心风机的进风口。19.如权利要求16所述的设计方法，其特征在于，响应于传声损失分析结果中的传声损失量不满足预设的传声损失指标，所述设计方法还包括：调整各个旁支管路的截面面积；和/或调整各个旁支管路在所述导流板上的位置。
技术总结
本发明提供了一种强迫风冷散热装置及其设计方法。上述强迫风冷散热装置至少包括离心风机和散热组件，上述离心风机的进风腔连接上述散热组件，上述离心风机通过上述进风腔吸风以迫使气流流经过散热组件，其中上述进风腔内设置有导流板，上述导流板抑制上述进风腔内的涡流区；上述导流板上设置有至少一个旁支管路，各个旁支管路的管长关联于上述离心风机的叶片通过频率，以消除噪声。本发明还提供了上述强迫风冷散热装置的设计方法。根据本发明，能够在不改变散热装置的现有结构的情况下，不影响甚至反而提高流动性效率，并起到消除离心风机噪声的效果。风机噪声的效果。风机噪声的效果。


技术研发人员：唐雄辉 彭宣霖 曾亚平 夏亮 蒋孝文
受保护的技术使用者：株洲中车时代电气股份有限公司
技术研发日：2021.04.06
技术公布日：2021/6/29