李 輝

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

一、引言

自動浸蠟控制設備是一種對印刷電路板組件進行浸蠟處理的非標自動化設備，該設備主要應用在電子產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線上，具有自動化程度高、精度高、速度快等特點[1]。作為一款在線式設備，自動浸蠟控制設備的工作環(huán)境較為惡劣，且對工作穩(wěn)定性和設備可靠性具有較高要求。自動浸蠟控制設備的一個核心組成部分是實現(xiàn)電機驅(qū)動及自動化控制的電氣控制柜，由于控制柜內(nèi)設有電機驅(qū)動器、電源模塊、PLC等發(fā)熱元件，在設備運行過程中會產(chǎn)生溫升，而電子元件的失效有55%是溫度超過規(guī)定值所引起的[2]，為保證設備可靠性，必須對控制柜的散熱問題進行重點設計。本文根據(jù)自動浸蠟控制設備控制柜的工作要求，對控制柜散熱進行設計，并采用仿真進行設計驗證，對非標設備電氣控制柜的設計具有參考價值。

二、控制柜散熱設計

（一）控制柜結(jié)構(gòu)設計

自動浸蠟控制設備的控制柜作為設備的一部分嵌裝在設備的主體框架內(nèi)，工業(yè)鋁型材組成柜體框架，頂部為設備臺面，前側(cè)為鈑金制成的活動柜門，其余各面安裝鋼板焊接而成的圍板?？刂乒駜?nèi)設有安裝背板，各類電子元器件通過導軌掛裝在背板上，電子元器件周圍設有容納電纜的PVC線槽。

控制柜內(nèi)的電子元器件包括：PLC（由CPU模塊、模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊和通信模塊組成）、網(wǎng)絡交換機、伺服電機驅(qū)動器、12V電源模塊、24V電源模塊、斷路器、繼電器、接觸器、電磁閥、端子排等。根據(jù)設備整體結(jié)構(gòu)需要及電子元器件安裝空間需求，確定控制柜的尺寸為590mm×570mm×300mm（寬×高×深）。為利于控制柜的散熱，電子元器件排布設計時遵循高功耗在上、低功耗在下，關(guān)鍵元器件靠近風口的原則，同時兼顧裝配及接線的便利性，控制柜最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制柜結(jié)構(gòu)示意圖

（二）熱載荷分析

自動浸蠟控制設備的設計使用環(huán)境溫度為0℃～40℃?？刂乒駜?nèi)的主要發(fā)熱電子元器件包括PLC、電機驅(qū)動器、電源模塊等，通過查詢相應器件的技術(shù)手冊或根據(jù)使用工況及工作效率進行估算，得出主要發(fā)熱電子元器件的功耗數(shù)據(jù)如表1所示。通過累加計算得出控制柜內(nèi)所有元器件的總發(fā)熱量約為55W。

表1 控制柜主要發(fā)熱器件參數(shù)表

（三）風機選型

電控柜的冷卻方式有自然對流、強迫風冷、空調(diào)制冷、熱交換器散熱等。其中，自然對流冷卻利用空氣流過器件表面時的熱交換，將器件的熱量傳遞給周圍空氣，主要適用于熱流密度小的場合；強迫風冷通過風機進行抽風或者鼓風，強制空氣在一定范圍內(nèi)快速流動，以較高的效率帶走器件的熱量，是一種經(jīng)濟且使用廣泛的冷卻方式；空調(diào)制冷和熱交換器散熱結(jié)構(gòu)復雜，使用成本較高，適用于環(huán)境苛刻，可靠性要求高的使用場合[3]。綜合考慮自動浸蠟控制設備的使用環(huán)境以及可靠性、成本控制等方面的因素，確定控制柜的冷卻方式為采用風機抽風的強迫風冷方式。

采用風機進行強迫風冷時，控制柜需要的通風量根據(jù)下式進行計算

式中：Qf——控制柜需要的通風量(m3/s)；

ρ——空氣的密度(kg/m3)；

Cp——空氣的比熱容(J/(kg·℃))；

ΔT——空氣出口溫度與進口溫度之差(℃)。本文設計時ΔT取15℃。

根據(jù)上式計算得出控制柜散熱所需的通風量為Qf=6.9CFM。風機選型時應根據(jù)系統(tǒng)阻抗曲線和風機的風量-風壓特性曲線進行，由于控制柜結(jié)構(gòu)復雜，元器件種類及數(shù)量繁多，系統(tǒng)阻力很難用理論方式進行準確計算，通常采用理論通風量乘以安全系數(shù)的方式來確定風機的風量。根據(jù)風道形狀和經(jīng)驗，本文采用3倍的安全系數(shù)來確定風機的風量，即風機風量為Q=20.7CFM。結(jié)合噪音、控制等方面的需求，確定采用一個型號SF23080AT2082HBL、尺寸80mm×80mm×38mm、額定風量24CFM、靜壓33Pa的軸流風機，設置在機柜側(cè)壁上方，通過抽風的方式進行散熱。

三、仿真驗證

（一）仿真計算過程

控制柜內(nèi)的發(fā)熱電子元器其組成較為復雜，且很難獲取相關(guān)元器件的精確模型，另外采用精確的元器件模型會導致系統(tǒng)模型和計算過程的復雜性大幅提高。為簡化計算，仿真計算時各發(fā)熱元件均等效為與器件實體尺寸一致，且具有相應發(fā)熱量的體積塊。另外，對發(fā)熱量很少的元器件及影響風道的線槽等結(jié)構(gòu)均采用等尺寸的不發(fā)熱體積塊進行等效。根據(jù)控制柜的實體結(jié)構(gòu)，在熱仿真軟件中建立控制柜的熱仿真模型，如圖2所示。計算區(qū)域為控制柜內(nèi)，控制柜四周邊界上設置自然對流換熱系數(shù)10W/m2·K，模型周圍環(huán)境溫度設為40℃，進風口采用多孔板進行等效，根據(jù)風機的技術(shù)手冊輸入風量-風壓特性曲線，劃分網(wǎng)格后進行求解計算。

圖2 控制柜簡化模型

（二）仿真結(jié)果及分析

通過計算得出控制柜內(nèi)各元器件的表面溫度云圖，如圖3所示。從圖中可以看出安裝在控制柜中部的電機驅(qū)動器溫度最高，表面最高溫升為22.8℃?？紤]到驅(qū)動器實物表面帶有散熱翅片，實際中驅(qū)動器溫升比仿真計算結(jié)果更小。此外，通過仿真計算可知控制柜內(nèi)電子元器件的布局存在優(yōu)化空間，例如降低線槽高度、將發(fā)熱較高的電機驅(qū)動器移動到靠近風機的出風口位置 (接線條件變差)等。

圖3 控制柜內(nèi)元器件表面溫度云圖

通過計算得出控制柜內(nèi)關(guān)鍵截面的溫度云圖，如圖4所示。從圖中可以看出控制柜內(nèi)部的空氣最高溫度在50℃左右，滿足各類電子元器件使用時對環(huán)境溫度的要求。通過仿真分析結(jié)果可知，控制柜熱設計滿足使用要求。

圖4 控制柜截面溫度分布圖

四、結(jié)語

本文簡要敘述了自動浸蠟控制設備控制柜的散熱設計過程，并通過仿真進行了設計驗證，同時根據(jù)仿真結(jié)果給出優(yōu)化方向。該設備已經(jīng)過長期在線使用，證明控制柜設計合理，工作穩(wěn)定、可靠，對非標設備電氣控制柜的設計具有參考價值。