自動浸蠟控制設(shè)備控制柜散熱設(shè)計(jì)

李 輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

一、引言

自動浸蠟控制設(shè)備是一種對印刷電路板組件進(jìn)行浸蠟處理的非標(biāo)自動化設(shè)備，該設(shè)備主要應(yīng)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(diǎn)[1]。作為一款在線式設(shè)備，自動浸蠟控制設(shè)備的工作環(huán)境較為惡劣，且對工作穩(wěn)定性和設(shè)備可靠性具有較高要求。自動浸蠟控制設(shè)備的一個核心組成部分是實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動及自動化控制的電氣控制柜，由于控制柜內(nèi)設(shè)有電機(jī)驅(qū)動器、電源模塊、PLC等發(fā)熱元件，在設(shè)備運(yùn)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(shè)備可靠性，必須對控制柜的散熱問題進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。本文根據(jù)自動浸蠟控制設(shè)備控制柜的工作要求，對控制柜散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用仿真進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對非標(biāo)設(shè)備電氣控制柜的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

二、控制柜散熱設(shè)計(jì)

（一）控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動浸蠟控制設(shè)備的控制柜作為設(shè)備的一部分嵌裝在設(shè)備的主體框架內(nèi)，工業(yè)鋁型材組成柜體框架，頂部為設(shè)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。控制柜內(nèi)設(shè)有安裝背板，各類電子元器件通過導(dǎo)軌掛裝在背板上，電子元器件周圍設(shè)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(luò)交換機(jī)、伺服電機(jī)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(shè)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(shè)計(jì)時(shí)遵循高功耗在上、低功耗在下，關(guān)鍵元器件靠近風(fēng)口的原則，同時(shí)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(shè)備的設(shè)計(jì)使用環(huán)境溫度為0℃～40℃。控制柜內(nèi)的主要發(fā)熱電子元器件包括PLC、電機(jī)驅(qū)動器、電源模塊等，通過查詢相應(yīng)器件的技術(shù)手冊或根據(jù)使用工況及工作效率進(jìn)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(jì)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(fēng)機(jī)選型

電控柜的冷卻方式有自然對流、強(qiáng)迫風(fēng)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(shí)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(qiáng)迫風(fēng)冷通過風(fēng)機(jī)進(jìn)行抽風(fēng)或者鼓風(fēng)，強(qiáng)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(jì)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(fù)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(shè)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(fēng)機(jī)抽風(fēng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。

采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，控制柜需要的通風(fēng)量根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算

式中：Qf——控制柜需要的通風(fēng)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(jìn)口溫度之差(℃)。本文設(shè)計(jì)時(shí)ΔT取15℃。

根據(jù)上式計(jì)算得出控制柜散熱所需的通風(fēng)量為Qf=6.9CFM。風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)阻抗曲線和風(fēng)機(jī)的風(fēng)量-風(fēng)壓特性曲線進(jìn)行，由于控制柜結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，通常采用理論通風(fēng)量乘以安全系數(shù)的方式來確定風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。根據(jù)風(fēng)道形狀和經(jīng)驗(yàn)，本文采用3倍的安全系數(shù)來確定風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，即風(fēng)機(jī)風(fēng)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(fēng)量24CFM、靜壓33Pa的軸流風(fēng)機(jī)，設(shè)置在機(jī)柜側(cè)壁上方，通過抽風(fēng)的方式進(jìn)行散熱。

三、仿真驗(yàn)證

（一）仿真計(jì)算過程

控制柜內(nèi)的發(fā)熱電子元器其組成較為復(fù)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(dǎo)致系統(tǒng)模型和計(jì)算過程的復(fù)雜性大幅提高。為簡化計(jì)算，仿真計(jì)算時(shí)各發(fā)熱元件均等效為與器件實(shí)體尺寸一致，且具有相應(yīng)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(fēng)道的線槽等結(jié)構(gòu)均采用等尺寸的不發(fā)熱體積塊進(jìn)行等效。根據(jù)控制柜的實(shí)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(jì)算區(qū)域?yàn)榭刂乒駜?nèi)，控制柜四周邊界上設(shè)置自然對流換熱系數(shù)10W/m2·K，模型周圍環(huán)境溫度設(shè)為40℃，進(jìn)風(fēng)口采用多孔板進(jìn)行等效，根據(jù)風(fēng)機(jī)的技術(shù)手冊輸入風(fēng)量-風(fēng)壓特性曲線，劃分網(wǎng)格后進(jìn)行求解計(jì)算。

圖2 控制柜簡化模型

（二）仿真結(jié)果及分析

通過計(jì)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(jī)驅(qū)動器溫度最高，表面最高溫升為22.8℃。考慮到驅(qū)動器實(shí)物表面帶有散熱翅片，實(shí)際中驅(qū)動器溫升比仿真計(jì)算結(jié)果更小。此外，通過仿真計(jì)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(jī)驅(qū)動器移動到靠近風(fēng)機(jī)的出風(fēng)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(jì)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(shí)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(shè)計(jì)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(shè)備控制柜的散熱設(shè)計(jì)過程，并通過仿真進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果給出優(yōu)化方向。該設(shè)備已經(jīng)過長期在線使用，證明控制柜設(shè)計(jì)合理，工作穩(wěn)定、可靠，對非標(biāo)設(shè)備電氣控制柜的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。