基于正交試驗(yàn)的控制柜熱設(shè)計(jì)研究

左曉剛,崔國(guó)民,王金陽(yáng)

(上海理工大學(xué) 新能源科學(xué)與工程研究所,上?！?00093)

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基于正交試驗(yàn)的控制柜熱設(shè)計(jì)研究

左曉剛,崔國(guó)民,王金陽(yáng)

(上海理工大學(xué) 新能源科學(xué)與工程研究所,上海200093)

摘要在已有機(jī)柜散熱方式的基礎(chǔ)上,采用整體區(qū)域的平均溫度作為環(huán)境溫度的近似,借助L64(98)正交表分析控制柜關(guān)鍵因素位置對(duì)其平均溫度的影響。結(jié)果表明,左側(cè)入風(fēng)口和電子元件a1對(duì)平均溫度的影響最大。極差分析優(yōu)組合與原始布局相比平均溫度下降了1.38 ℃,通過(guò)優(yōu)化關(guān)鍵因素位置,控制柜可靠性得到了提高,為機(jī)柜系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)提供一定參考。

關(guān)鍵詞控制柜;正交試驗(yàn);平均溫度;熱設(shè)計(jì)

隨著電子元件集成化程度越來(lái)越高,其體積越來(lái)越小,這使得單位體積的電子元件功率不斷增大,熱流密度急劇上升導(dǎo)致元件溫度升高,隨著溫度的增加電子元件失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)[1]。資料表明,單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度升高10 ℃,一些電子系統(tǒng)的可靠性甚至降低50%[2]。另?yè)?jù)資料表明,55%的電子設(shè)備失效是由溫度過(guò)高引起的[3]。電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中,功率損失導(dǎo)致元件溫度不斷上升,同時(shí)電子設(shè)備周圍的環(huán)境溫度也會(huì)影響設(shè)備內(nèi)部溫度,元件在環(huán)境溫度每升高10 ℃時(shí)其失效率將增大一倍以上,被稱為10 ℃法則[1]。因此,電子設(shè)備周圍環(huán)境溫度的降低,對(duì)于保證電子元件正常工作具有重要意義。

機(jī)柜作為電子元件的一種放置形式,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其散熱問(wèn)題進(jìn)行了大量的工作研究,取得了一定的研究進(jìn)展。一些學(xué)者考慮對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行降溫,改進(jìn)翅片形式[4-5]、熱管[6]等,對(duì)于機(jī)柜整體散熱考慮增加通風(fēng)孔[7]、開(kāi)發(fā)散熱系統(tǒng)[8]。而電子元件位置優(yōu)化多見(jiàn)于印制電路板上,如根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[9]、優(yōu)化算法[10-11]等。綜合以上可知,電子元件降溫主要考慮了降低電路板的熱點(diǎn)溫度及關(guān)鍵元件溫度,但是這些方法都有一定的局限性。某些情況下關(guān)鍵元件的降溫是以其他元件溫度升高為代價(jià)的,存在多個(gè)高溫元件其矛盾更為凸顯,而前人所提出的關(guān)鍵元件降溫方法及機(jī)柜整體降溫方法均在一定程度上增加工業(yè)成本,其能否用于實(shí)際工業(yè)則是一個(gè)問(wèn)題。

因此本文在基本不增加工業(yè)成本基礎(chǔ)上考慮某企業(yè)船用鍋爐控制柜內(nèi)關(guān)鍵元件位置優(yōu)化,控制柜內(nèi)環(huán)境溫度的降低對(duì)內(nèi)部元件的可靠性增加有著極大的提升,因而采用整體區(qū)域的平均溫度作為環(huán)境溫度的近似,將控制柜整體區(qū)域的平均溫度作為優(yōu)化目標(biāo),利用數(shù)值模擬軟件建立控制柜的有限元模型,以L64(98)型正交表綜合考慮關(guān)鍵元件的最佳位置,對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析,確定各因素最優(yōu)位置以及影響規(guī)律。

1模型建立

1.1物理模型

控制柜內(nèi)布置了大量的電子元件如繼電器、變壓器、控制儀等,同時(shí)內(nèi)部線路連接復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)控制柜的傳熱數(shù)值模擬,對(duì)控制柜內(nèi)模型簡(jiǎn)化處理,作為系統(tǒng)級(jí)熱分析本文簡(jiǎn)化電子元件外形并將電線發(fā)熱量與元件整合,將元件視為單一材料的實(shí)體,其主要電子元件發(fā)熱量如表1所示。控制柜幾何尺寸長(zhǎng)寬高1 100 mm×390 mm×1 400 mm,壁面設(shè)置有入風(fēng)口(inlet-left、inlet-right)和出風(fēng)口(outlet-left、outlet-right),關(guān)鍵電子元件及通風(fēng)口位置如圖1所示。

表1　電子元件名稱與發(fā)熱量

1.2數(shù)值模擬模型

控制柜采用強(qiáng)迫對(duì)流對(duì)內(nèi)部電子元件進(jìn)行冷卻散熱,入風(fēng)口風(fēng)速取為3 m/s,出風(fēng)口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,環(huán)境溫度設(shè)置為30 ℃,不考慮時(shí)間項(xiàng)即為穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程。計(jì)算軟件為Ansys軟件的Icepak模塊,控制方程采用有限體積法離散,應(yīng)用Simple法處理壓力速度耦合,對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)格式離散,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式,湍流模型采用k-ε雙方程模型。根據(jù)文獻(xiàn)[12],電子元件的內(nèi)部溫度及外表面溫度一般均不超過(guò)150 ℃,而環(huán)境溫度一般為20～40 ℃。因此,控制柜模型不考慮輻射換熱的影響,其平均溫度是內(nèi)部環(huán)境區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)溫度平均值,其節(jié)點(diǎn)數(shù)約為60 000。

圖1　控制柜立體圖

2控制柜關(guān)鍵因素結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)因素和試驗(yàn)方案的確定

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和正交原理,應(yīng)用正交表合理安排試驗(yàn)。采用正交試驗(yàn)可以大幅度地減少試驗(yàn)次數(shù),以較小的試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)模得到有效的結(jié)論。

控制柜初始布局下的平均溫度為33.46 ℃。根據(jù)控制柜電子元件發(fā)熱量和實(shí)際工程應(yīng)用,選擇電子元件a1、TF、a91、a12及入風(fēng)口inlet-left、inlet-right和出風(fēng)口outlet-left、outlet-right共8個(gè)變量作為正交試驗(yàn)的關(guān)鍵因素,試驗(yàn)水平選為8。選取因素原始設(shè)計(jì)尺寸作為基本尺寸,將因素的最大最小值作為尺寸變化范圍,綜合考慮水平數(shù)和尺寸變化幅度選擇各因素的水平值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS生成正交表,不考慮因素之間的交互作用并設(shè)置空列,采用L64(98)型正交表,其因素水平值如表2所示。

表2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平

根據(jù)正交表生成的64種設(shè)計(jì)變量組合得到的平均溫度值引用自文獻(xiàn)[13],其結(jié)果如表3所示。

2.2結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)表3進(jìn)行極差分析,計(jì)算結(jié)果如表4所示,極差大小順序?yàn)閑>a>c>f>g>D>b>h,即左側(cè)入風(fēng)口對(duì)平均溫度的影響最大,其次是電子元件a1。TF和右側(cè)出風(fēng)口對(duì)平均溫度影響最小,其原因在于TF產(chǎn)生的大部分熱量沿導(dǎo)熱板散失,右側(cè)出風(fēng)口位置附近的風(fēng)速變化較小。

根據(jù)極差分析結(jié)果得到最佳組合a1(0)、TF(0.2)、a91(-0.6)、a12(-0.05)、inlet-left(0.18)、inlet-right(0.18)、outlet-left(0)、outlet-right(-0.12)并模擬計(jì)算得到平均溫度32.08 ℃,與正交試驗(yàn)結(jié)果的最低平均溫度相比降低了0.28 ℃,最高平均溫度降低了2.44 ℃,與初始布局的平均溫度相比降低了1.38 ℃,說(shuō)明所選方法對(duì)平均溫度的降低是有效的。

表3　模擬結(jié)果

圖2顯示了初始及優(yōu)化后的元件溫度分布與速度等高線圖。由圖2可知,控制柜最高溫度降低了1.42 ℃,入風(fēng)口位置下移使得速度死區(qū)基本消失,說(shuō)明經(jīng)過(guò)對(duì)關(guān)鍵因素的位置優(yōu)化控制柜熱點(diǎn)溫度得到了降低,空氣流經(jīng)了更多的內(nèi)部區(qū)域,其整體散熱得到了一定程度的改善。

表4　極差分析

圖2　溫度分布與速度等高線圖對(duì)比圖

從圖3可見(jiàn),隨著水平數(shù)不斷增加即各因素位置從最小值到最大值變化過(guò)程中,元件位置變化使平均溫度不斷波動(dòng),其最佳位置在最低平均溫度處取得,而通風(fēng)口位置變化使平均溫度總體呈現(xiàn)不斷增大或減小的趨勢(shì),其最佳位置在邊界處或最低點(diǎn)取得,說(shuō)明多水平的正交試驗(yàn)對(duì)元件和通風(fēng)口均可精確的得到其最佳位置。

綜合以上分析可知在控制柜正交試驗(yàn)中,本文以平均溫度降低作為控制柜散熱改善的目標(biāo),選擇改變左側(cè)入風(fēng)口、a1、a91、右側(cè)入風(fēng)口、左側(cè)出風(fēng)口和a12的位置參數(shù),采用八水平試驗(yàn)得到因素最佳位置并確定其影響規(guī)律。

圖3　關(guān)鍵因素與平均溫度關(guān)系圖

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)控制柜的正交試驗(yàn),改變關(guān)鍵因素位置,借助統(tǒng)計(jì)分析軟件生成的正交表對(duì)控制柜進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到結(jié)論:(1)控制柜平均溫度的極差分析結(jié)果表明,左側(cè)入風(fēng)口對(duì)平均溫度的影響最大,其次是電子元件a1,影響最小的是TF和右側(cè)出風(fēng)口。極差分析的優(yōu)組合得到的平均溫度32.08 ℃與初始布局及正交試驗(yàn)結(jié)果的平均溫度相比是下降的,說(shuō)明所選方法是有效的。元件和通風(fēng)口位置變化與文獻(xiàn)[13]采用方法相比更為簡(jiǎn)潔高效得到最佳位置;(2)控制柜采用L64(98)的正交表進(jìn)行仿真模擬,采用整體區(qū)域的平均溫度作為環(huán)境溫度的近似,以整體區(qū)域的平均溫度作為優(yōu)化目標(biāo)描述控制柜散熱情況并得出最佳位置,為今后控制柜熱設(shè)計(jì)提供了參考。

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Thermal Design of Control Cabinet Based on Orthogonal Experiment

ZUO Xiaogang,CUI Guomin,WANG Jinyang

(Research Institute of New Energy Science and Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractControl cabinet is the geometry space of all kinds of equipment to store and manage data.With the high performance,miniaturization and integration of electronic equipment trends,the cooling capacity of control cabinet affects the performance and service life of the electronic components.On the other hand it is very important to the stability of the system.Based on the review of current research on the cooling of control cabinet,the average temperature of the whole volume is the approximation of the environment temperature.The L64(98) orthogonal table is used to analyze the impact of important factors on its average temperature.The results show that inlet-left and electronic component a1 has the greatest impact on the average temperature.The average temperature obtained from the optimal combination of the range analysis is1.38 ℃ lower than that from the initial layout.The reliability of the control cabinet is improved by optimizing the layout of electronic components,which provides references for cabinet system thermal design.

Keywordscontrol cabinet;orthogonal experiment;average temperature;thermal design

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.006

收稿日期:2015-11-07

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176125);滬江基金資助項(xiàng)目(D14001)

作者簡(jiǎn)介:左曉剛(1990—),男,碩士研究生。研究方向:強(qiáng)化傳熱及高效換熱器。

中圖分類號(hào)TN707;TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-019-04