蘇恒，楊俊，譚杰，曾樂

（1.長沙市電子工業(yè)學(xué)校，長沙 410116；2.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計學(xué)院，長沙 410081；3.芷江民族職業(yè)中專學(xué)校，湖南 懷化 418000；4.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410124）

0 引言

如今，電子元件的熱流密度已經(jīng)高達(dá)200 W/cm2以上，對于長時間運行的生產(chǎn)線控制柜來說，如果各種發(fā)熱元件散發(fā)出來的熱量不能夠及時散發(fā)出去, 就會造成熱量的積聚，內(nèi)部的溫度會快速上升,從而導(dǎo)致各個元器件的溫度超過各自所能承受的溫度極限，可能造成電子設(shè)備絕緣性能退化、材料的熱老化，或者低熔點焊縫開裂、焊點脫落等后果，使得電子設(shè)備的可靠性大大降低，對生產(chǎn)線的正常運行造成嚴(yán)重影響[1-6]。據(jù)統(tǒng)計，電子系統(tǒng)中55%的電子器件失效或故障都與過高溫度的熱環(huán)境相關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度高于70～80 ℃時，每增加1 ℃則電子器件的可靠性下降5%[7]。為了預(yù)測溫度變化，采用有限元仿真是有效的方法。許禮進[8]針對通用工業(yè)機器人電氣控制柜熱特性、噪聲問題，建立仿真模型，進行了控制柜的熱環(huán)境防護流程設(shè)計且通過試驗驗證了其有效性。湯清[9]對智能控制柜柜內(nèi)開孔結(jié)構(gòu)和設(shè)備排列方式進行了有限元仿真分析,得到了柜內(nèi)溫度場和流體軌跡,優(yōu)化了柜內(nèi)智能終端間距設(shè)置和開孔設(shè)置。湖南某鋁業(yè)有限公司有多條鑄軋生產(chǎn)線，設(shè)備作業(yè)時產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致控制柜溫度過高，對整條生產(chǎn)線安全造成隱患。

本文首先對控制柜進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后完成控制柜內(nèi)部大功耗元件選型，再次建立發(fā)熱元件模型進行溫度場仿真分析，進而初步確定元件布局方式，最后分析比較了3種不同的散熱方案，確定了最終散熱方案。

1 控制柜的建模及元件布局

1.1 控制柜結(jié)構(gòu)建模

控制柜的尺寸（寬×高×深）為400 mm×600 mm×320 mm；框架主要由2個左立柱、2個右立柱、2個側(cè)上橫梁、4個側(cè)橫梁、2個側(cè)下橫梁、2個上橫梁、2個下橫梁構(gòu)成?？刂乒窠Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制柜框架

1.2 主要發(fā)熱元件布局

因為熱空氣比冷空氣輕，無外界干擾情況下，柜內(nèi)空氣流向應(yīng)該是由下往上，所以把主要的大功率發(fā)熱元件都放在上面的部分，小功率發(fā)熱元件都放在下面的部分，避免風(fēng)機氣流先通過大功率發(fā)熱元件再流經(jīng)小功率發(fā)熱元件影響散熱效率，出風(fēng)口設(shè)置在柜體上方，柜內(nèi)元件布局如圖2所示。

圖2 柜內(nèi)元件布局

2 控制柜散熱仿真分析

2.1 控制柜自然散熱分析

主要發(fā)熱元件參數(shù)如表1所示。

表1 主要發(fā)熱元件的相關(guān)參數(shù)

式中：Q1為控制柜內(nèi)的總發(fā)熱量；Q2為所需散熱能力。

當(dāng)Q2為0或者負(fù)值，則說明控制柜自身散熱能力可以滿足柜內(nèi)元件的散熱要求，不需要其它強制散熱方式；當(dāng)Q2為正值時，則說明控制柜自身散熱能力已經(jīng)沒有辦法達(dá)到柜內(nèi)元件的散熱要求，需要選擇其它強制散熱方式進行散熱[2]。結(jié)合表1、式（1）和式（2），得出Q2為正值，需要選擇其它強迫對流冷卻的方式對控制柜進行散熱處理。

為了更加精確地分析散熱情況，利用有限元仿真分析控制柜溫度場，柜內(nèi)溫度目標(biāo)值應(yīng)低于50 ℃，設(shè)置控制柜熱邊界條件如下：1）初步計算控制柜中氣流雷諾數(shù)Re為6320，大于4000，所以選取湍流計算模型；2）各元件熱源設(shè)置可參考表1；3）風(fēng)機特性可選擇ICEPAK提供的標(biāo)準(zhǔn)模型，數(shù)量以及進出口的類型根據(jù)溫度場分析進行調(diào)整優(yōu)化，風(fēng)量為2.6～3.0 m3/min；4）環(huán)境溫度為37 ℃。

將控制柜與內(nèi)部的元件簡化為長方體，如圖3所示。

圖3 柜內(nèi)元件布局簡化圖

通過仿真得到控制柜在自然散熱下的溫度分布如圖4所示，柜內(nèi)元件溫度最高可達(dá)70 ℃左右，周圍溫度達(dá)到55 ℃左右，均高于目標(biāo)值50℃，所以自然散熱不能有效帶走柜內(nèi)元件的熱量，柜內(nèi)元件的溫度很高。

圖4 自然散熱下溫度分布

2.2 散熱方案分析

因為控制柜自然散熱下無法滿足柜內(nèi)元件的散熱需求，所以需要選擇其它強迫對流冷卻的方式對控制柜進行散熱處理，制定出了3種散熱方案。方案1如圖5所示，在控制柜左右兩側(cè)上方分別開設(shè)出風(fēng)口1、2，出風(fēng)口大?。ㄩL×寬）為70 mm×19 mm，同時在控制柜下方布置一個鼓風(fēng)機，通風(fēng)量為3 m3/min。

圖5 方案1 布局及溫度分布

方案2如圖6所示，在方案1的基礎(chǔ)上，在控制柜頂部增開設(shè)出風(fēng)口3，出風(fēng)口的尺寸為280 mm×200 mm（長×寬），同時在底部增加一個鼓風(fēng)機，通風(fēng)量為3 m3/min。方案3如圖7所示，在方案2的基礎(chǔ)上，在控制柜的右側(cè)增加一個抽風(fēng)機，通風(fēng)量為3 m3/min。布置在大功率濾波器的旁邊，主要用于濾波器的散熱，同時將底部的2個鼓風(fēng)機改用為抽風(fēng)機。

圖6 方案2 布局及溫度分布

圖7 方案3 布局及溫度分布

將3種方案下控制柜內(nèi)的元件溫度進行對比得到數(shù)據(jù)如表2所示。

由圖5、圖6、圖7及表2可知，方案1 控制柜內(nèi)最高溫度為86 ℃，周圍溫度為55 ℃，均高于目標(biāo)溫度50 ℃，沒有實現(xiàn)散熱。方案2控制柜內(nèi)最高溫度為66℃，高于目標(biāo)溫度50 ℃，周圍溫度為50 ℃，散熱效果不佳。方案3控制柜內(nèi)最高溫度為45 ℃，周圍溫度為36 ℃，均低于目標(biāo)溫度50℃，滿足散熱要求。

表2 三種散熱方案控制柜內(nèi)元件溫度℃

圖8和圖9 為方案2 和方案3下的控制柜內(nèi)風(fēng)壓分布。

圖8 方案2 風(fēng)壓分布

由圖8和圖9 可知，方案2控制柜內(nèi)風(fēng)壓分布不均勻，元件布置區(qū)風(fēng)壓為5.27×104Pa，元件周圍風(fēng)壓為1.76×105Pa，這是因為速度快的氣流主要分布在元件周圍。方案3在使用抽風(fēng)機后，柜內(nèi)風(fēng)壓分布均勻，風(fēng)壓為4.42×105Pa。

圖9 方案3 風(fēng)壓分布

圖10和圖11為方案2和方案3下的控制柜內(nèi)風(fēng)速分布。

圖11 方案3 風(fēng)速分布

由圖10和11可知，方案2由于PLC控制模板與濾波器的阻擋，風(fēng)速主要集中在控制柜下面部分，風(fēng)速達(dá)到了5.423 m/s，而濾波器周圍風(fēng)速較小為1.808 m/s，流體帶走的熱量較少，濾波器散熱效果沒有達(dá)到最好的狀態(tài)。方案3在使用抽風(fēng)風(fēng)機后，濾波器周圍風(fēng)速增加至11.976 m/s，流體帶走了較多的熱量。方案3控制柜內(nèi)溫度低于目標(biāo)溫度且柜內(nèi)風(fēng)壓分布均勻，實現(xiàn)了控制柜的有效散熱，為最佳的散熱方案。

圖10 方案2 風(fēng)速分布

3 鋁帶坯鑄軋機控制柜的應(yīng)用

通過布置溫度傳感器測得的實際控制柜內(nèi)的溫度變化如圖12所示，生產(chǎn)線上采用方案3的鋁帶坯鑄軋機控制柜如圖13所示。由圖12可知，在生產(chǎn)時間范圍內(nèi)的控制柜內(nèi)最高溫度穩(wěn)定在46℃左右，比仿真溫度高1℃，相對誤差為2.22%，周圍溫度穩(wěn)定在35 ℃左右，比仿真溫度低1 ℃，相對誤差為2.78%，這是由于工作環(huán)境溫度會發(fā)生改變，證明了方案3散熱效果最佳，保證了控制柜的正常工作。

圖12 控制柜內(nèi)溫度變化曲線

圖13 鋁帶坯鑄軋機控制柜

4 結(jié)論

通過對鋁帶坯鑄軋機控制柜的散熱方案設(shè)計和仿真分析、得到以下結(jié)論：

1）鋁帶坯鑄軋機控制柜內(nèi)應(yīng)采用大功率元件布置在上方、小功率元件布置在下方的布局方式。

2）采用抽風(fēng)機替代鼓風(fēng)機方案，能實現(xiàn)控制柜內(nèi)風(fēng)壓均勻分布和有效散熱。

3）生產(chǎn)線上采用最佳散熱方案的鋁帶坯鑄軋機控制柜，柜內(nèi)最高溫度穩(wěn)定在46 ℃左右，周圍溫度穩(wěn)定在35℃左右，滿足設(shè)計要求，從而保證了鋁帶坯鑄軋機控制柜工作正常。