就地模塊機(jī)箱設(shè)計(jì)方法探討

許超偉，韓國(guó)平，屈琳

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

2017年，為全面系統(tǒng)解決智能變電站當(dāng)前存在問(wèn)題，進(jìn)一步推進(jìn)變電站“更安全、更可靠、更智能”，加快開(kāi)展第三代智能變電站技術(shù)研究及試點(diǎn)示范建設(shè)，就地模塊作為第三代智能站的組成部分，為實(shí)現(xiàn)變電站一次主設(shè)備信息采集的數(shù)字量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)脑O(shè)備，安裝在一次設(shè)備機(jī)構(gòu)箱或匯控箱。面臨更加嚴(yán)酷的氣候、電磁及機(jī)械環(huán)境，散熱問(wèn)題日益影響裝置可靠性。本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱方面做了多種分析和嘗試，為裝置開(kāi)發(fā)提供相關(guān)的參考和借鑒。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)思路

目前電力保護(hù)機(jī)箱以鋁型材拼接結(jié)構(gòu)形式居多，就地模塊從結(jié)構(gòu)上分為前面板、框架和插件三部分。插件采取后插拔便于更換維護(hù)?？蚣懿捎免k金折彎成型后焊接的加工方式，框架側(cè)邊靠近高發(fā)熱量印制板部分如圖1示意采用鏤空設(shè)計(jì)，保證印制板可插拔的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)插件散熱板與殼體外部空氣接觸快速散熱。母線板和人機(jī)線路板合二為一，減少板卡之間依靠帶纜聯(lián)結(jié)，為了提升裝置在振動(dòng)沖擊方面的性能，在插件印制板靠近歐式連接器位置設(shè)置導(dǎo)向凸起，在母線板對(duì)應(yīng)位置設(shè)置定位槽。前面板采用鋁壓鑄方式，指示燈孔、數(shù)碼管開(kāi)孔區(qū)域、按鍵等全部一次壓鑄成型，節(jié)省了傳統(tǒng)鉚接支柱等工序，加工精度形狀位置一致性良好。壓鑄成型的前面板表面處理后采用貼面膜形式，裝置型號(hào)、指示燈定義比較靈活。有利于裝置標(biāo)準(zhǔn)化批量加工，使殼體在成本和加工效率方面得到較大提升。

圖1

2 機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)方案

隨著電子設(shè)備小型化和集成化的發(fā)展，組裝密度日漸提高，組件和設(shè)備的熱密度流也在迅速增加。電子設(shè)備熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)就是在熱源和熱沉之間提供一條低熱阻的通道，電子設(shè)備的熱控制首先從確定元器件或設(shè)備的冷卻方法開(kāi)始，冷卻方法的選擇直接影響元器件或設(shè)備的組裝設(shè)計(jì)、可靠性、重量和成本等。要有效地控制元器件和設(shè)備的溫度，需要確定他們的發(fā)熱量、與散熱有關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸及工作環(huán)境條件等要求。設(shè)備工作中發(fā)熱產(chǎn)生的熱量等于功率的耗散，目前電力設(shè)備中發(fā)熱主要集中在電源板和CPU板，而CPU板卡發(fā)熱以光模塊和CPU芯片為主。就地模塊作為貼近一次設(shè)備安裝的電力保護(hù)裝置其高、寬、深分別為17.7cm×12cm×24cm，該模塊其電功率約17.5W，安全系數(shù)取1.2，耗散功率為21W，熱流密度可以用以下公式估算：

式中，ψ為熱流密度，W/cm2；P為耗散功率，W；A為總表面積，cm2。

圖2 按照熱流密度、溫升選擇冷卻方法

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)合圖1可以看出，溫升為60℃時(shí)，自然散熱方式熱密度流小于0.02W/cm2，就地模塊熱密度流為0.011W/cm2采用空氣自然冷卻進(jìn)行散熱，是最簡(jiǎn)單可靠的冷卻方法。自然冷卻可以是空氣自然對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射換熱的單獨(dú)作用或者兩種以上換熱形式的組合。針對(duì)機(jī)箱的散熱需求，考慮了幾種散熱方案。

方案一：將就地模塊側(cè)板設(shè)置成散熱孔形式，殼體內(nèi)部噴涂黑色啞光油漆增加吸熱效果。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。實(shí)現(xiàn)容易，靠近側(cè)板的印制板組件能較快將熱量傳遞到箱體外部。同時(shí)，解決IP防護(hù)要求中的垂直滴水問(wèn)題。缺點(diǎn)：內(nèi)部空氣導(dǎo)熱通道受PCB板卡阻礙，傳熱速度慢。

方案二：圖3所示為使用熱管導(dǎo)熱，在插件面板上安裝散熱片的組裝示意圖。考慮到插件更換維修本方案在分面板上加裝T型散熱片或者拉制一體擠壓成型帶散熱片型材分面板，散熱片內(nèi)部與發(fā)熱元件接觸，外部鰭片與外部空氣接觸。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。能夠針對(duì)發(fā)熱較大元器件高效解決局部發(fā)熱問(wèn)題。缺點(diǎn)：需要犧牲面板表面空間，出線端子、SPF(Small Form-factor Pluggable)光模塊、RJ45網(wǎng)口等出線都沒(méi)有空間設(shè)計(jì)。另外，由于熱管的設(shè)置CPU板卡亦無(wú)法布置稍微高一點(diǎn)的元器件，使本已經(jīng)小型化的就地模塊空間愈發(fā)窘迫。

圖3

圖4

方案三：在側(cè)板加裝散熱片，或者側(cè)板做成散熱片形狀。發(fā)熱量較大插件可以布置在靠近散熱片處。設(shè)計(jì)如圖4中，紅色示意輪廓拉制一體擠壓成型帶散熱片型材，擠壓鋁型材散熱片經(jīng)過(guò)數(shù)控加工后，邊緣與框架折彎邊重疊配合形成封閉空腔為內(nèi)部元器件提供電磁屏蔽空間，同時(shí)又保證散熱翅片外露，依靠六棱支柱與CPU板卡固定保證高發(fā)熱元件CPU芯片和散熱片接觸，同時(shí)另一高發(fā)熱元件光模塊也直接與散熱片相連。散熱片與CPU芯片接觸區(qū)域涂導(dǎo)熱硅脂，散熱片與光模塊之間設(shè)置導(dǎo)熱襯墊增大導(dǎo)熱系數(shù)降低熱阻，使他們產(chǎn)生的發(fā)熱迅速的傳遞到散熱片上，散熱翅片直接與殼體外部空氣接觸從而實(shí)現(xiàn)快速散熱。優(yōu)點(diǎn)：成本最低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提供一種可插拔的依靠自然散熱的方式。解決關(guān)鍵發(fā)熱元件散熱控制整個(gè)裝置的溫升，保證裝置溫升在正常工作范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)比較最終選擇此方案。

3 設(shè)計(jì)方案仿真

在確定好機(jī)箱的大致方案后，進(jìn)行了散熱的軟件仿真。仿真環(huán)境邊界條件設(shè)置為機(jī)箱外部環(huán)境60℃，11個(gè)就地模塊最大程度集中安裝，按照遠(yuǎn)比實(shí)際安裝密度嚴(yán)酷的情況進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)對(duì)就地模塊殼體內(nèi)部溫度通過(guò)熱電偶測(cè)量。根據(jù)仿真結(jié)果柜頂溫度約為72～75℃，柜子中部溫度約為67℃，柜子底部約為63℃?？梢钥闯?，由于熱空氣上升，柜內(nèi)溫度呈現(xiàn)上熱下冷的現(xiàn)象，且越靠近發(fā)熱模塊的截面，平均溫度越高。柜內(nèi)發(fā)熱量表面溫度最高約為92攝氏度，最低約為84.6℃，上部模塊溫度較高與實(shí)際測(cè)量基本一致。就地模塊最小溫升24.6℃，最大溫升32℃，均滿足采用自然散熱最大溫升不超過(guò)40℃的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

就地模塊裝置散熱設(shè)計(jì)從殼體的整體散熱、發(fā)熱元件的局部散熱、熱量傳導(dǎo)方式、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱材料等方面做了有益的探討。在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用熱仿真軟件，有效地減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中的反復(fù)試驗(yàn)，加快了項(xiàng)目的進(jìn)度，提升了設(shè)計(jì)的效率。