智能礦石分選機(jī)傳感器機(jī)箱散熱仿真分析

閔湘川，雷 鋼，曾現(xiàn)勇，歐陽周，殷文俊

（1.湖南軍芃科技股份有限公司，湖南長沙410006；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙410083）

軍芃科技的智能礦石分選機(jī)是一種智能化在線式的礦石分揀設(shè)備[1]，能快速精確地揀選礦石，因此被廣泛于采礦、有色金屬、冶金等行業(yè)。傳感器是智能礦石分選機(jī)分揀系統(tǒng)內(nèi)的核心部件之一，安裝在傳感器盒內(nèi)，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，將預(yù)處理后的數(shù)字信號傳輸至電腦，并存儲在電腦中。傳感器在工作時，部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，以熱量的形式散發(fā)，使得機(jī)箱的溫度升高。當(dāng)機(jī)箱溫度達(dá)到約50℃時，傳感器的工作性能將受到極大地影響甚至被燒毀。目前機(jī)箱散熱方案很多，水冷具有噪音小、效率高的優(yōu)點，但是缺點是維護(hù)成本高，易漏水。而風(fēng)冷方式是較為常見的一種，優(yōu)點是價格實惠，易于維護(hù)，性能穩(wěn)定。

針對傳感器機(jī)箱進(jìn)行散熱仿真分析，考慮風(fēng)扇風(fēng)向設(shè)置和機(jī)箱高度對傳感器機(jī)箱穩(wěn)態(tài)下的溫度場影響，對不同條件時的傳感器機(jī)箱建立仿真模型，利用Icepak 電子熱分析軟件對其進(jìn)行數(shù)值設(shè)定，仿真計算得到了穩(wěn)態(tài)下的溫度分布，確定了較好的傳感器機(jī)箱的散熱設(shè)計方案。

1 熱傳導(dǎo)理論

熱量傳遞的基本規(guī)律是存在溫度差的兩個物體之間，隔熱層稀薄或者無隔熱層，那么熱量就會從溫度較高的物體傳遞到溫度較低的物體中，直到它們的溫度相同處于相對熱平衡狀態(tài)為止。導(dǎo)熱、對流和輻射換熱是熱量傳遞的3種基本方式。傳感器機(jī)箱散熱過程主要是導(dǎo)熱。換熱過程的基本的計算公式[2]為：

2 模型建立

2.1 物理模型

使用三維軟件Solidworks 對傳感器機(jī)箱進(jìn)行建模。模型由傳感器上機(jī)箱和下機(jī)箱組成。上機(jī)箱中安裝有特定光譜的光源，下機(jī)箱內(nèi)安裝有傳感器。上箱體和下箱體之間用2根風(fēng)管連接，傳感器與光源共用同一臺空調(diào)，如圖1所示。

圖1 傳感器箱體示意圖

傳感器的外形尺寸為1523mm×156mm×66mm。模型包括機(jī)箱外殼、鋁板、數(shù)據(jù)處理_PCB板、數(shù)據(jù)處理芯片、傳感器_PCB板、傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。其中傳感器_PCB板、傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片均有幾十個以上。主要發(fā)熱元器件是數(shù)據(jù)處理芯片和傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。

2.2 仿真模型

根據(jù)傳感器機(jī)箱散熱問題進(jìn)行了物理建模，然后進(jìn)行數(shù)值模擬計算。傳感器上的發(fā)熱元器件主要有傳感器芯片和傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。傳感器芯片單個發(fā)熱量是1.5W，傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片單個發(fā)熱量是1.2W。傳感器機(jī)箱的總熱功耗來源于傳感器芯片和傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)計算可得總熱功耗Q熱=31.5W,機(jī)箱熱穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度的計算為：

式中：A——機(jī)箱散熱總表面積，經(jīng)三維模型測量可得A=9420.5cm2。

計算可得機(jī)箱熱穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度φ為3.344×10-3W/cm2。

傳感器工作的環(huán)境溫度為35℃，根據(jù)傳感器機(jī)箱內(nèi)部芯片模塊的耐高溫性能，擬定最高溫度為50℃，所以其內(nèi)部溫升應(yīng)控制在15℃范圍之內(nèi)。電子設(shè)備在此條件下，空氣自然對流散熱的熱流密度閾值一般為（2.4～6.4）×10-2W/cm2。根據(jù)不同冷卻方法的熱流密度與溫升關(guān)系，由計算結(jié)果可以看到，機(jī)箱熱穩(wěn)態(tài)下的熱流密度φ小于自然對流散熱的閾值，機(jī)箱自然散熱最高溫度會超過50℃，需要改進(jìn)散熱方式。

ANSYSIcepak 軟件擁有自建模、高級建模等多種建模方式。CAD 建模結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)存儲量小，生成模型比較容易。本文采用CAD 模型導(dǎo)入和軟件自建模方式來創(chuàng)建仿真三維模型。使用Workbench平臺將簡化后的設(shè)計模型導(dǎo)入ANSYSIcepak 軟件；在Icepak中通過自建模方式建立機(jī)箱的熱分析模型；然后在ANSYSIcepak中設(shè)置參數(shù)：散熱方式為自然冷卻；機(jī)箱內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)為35℃；傳感器機(jī)箱內(nèi)的空氣對流為自然對流，流動狀態(tài)為湍流。

根據(jù)傳感器機(jī)箱的芯片的位置布置，考慮到進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的位置設(shè)定可能會對散熱造成影響，所以創(chuàng)建4種不同出風(fēng)和進(jìn)風(fēng)口的模型，如圖2所示。分別為左邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)時；左邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)時；左邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)時；左邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)時。選用模型的其他因素條件為管道大小為120mm，傳感器箱體高度為218mm，風(fēng)扇風(fēng)量為70cfm，風(fēng)扇風(fēng)壓為29Pa，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分及計算，并對比分析結(jié)果。

圖2 4種不同風(fēng)扇方向模型圖

同時考慮到傳感器箱體的高度可能會影響散熱情況，所以建立高度分別為198mm、218mm、238mm時的模型，如圖3所示。選用模型的其他因素條件為左邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)，管道大小為120mm，風(fēng)扇風(fēng)量為70cfm，風(fēng)扇風(fēng)壓為29Pa。

2.3 網(wǎng)格劃分及計算

圖3 3種不同高度傳感器箱體高度模型圖

對以上所有建立的傳感器機(jī)箱模型，采用Icepak電子熱分析軟件提供的六邊形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格做網(wǎng)格劃分處理。劃分網(wǎng)格后得到447846 個網(wǎng)格單元，468834個節(jié)點，如圖4所示。網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果的面對齊率項范圍為0.414407～1，網(wǎng)格體積項范圍為（9.22974～5.62097）×10-12,網(wǎng)格偏斜度項范圍為0.265857～1。設(shè)定機(jī)箱內(nèi)環(huán)境溫度為40℃，設(shè)定重力加速度為9.8m2/s，設(shè)置迭代步數(shù)為200，求解計算流體場和溫度場變量。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)果分析

對上述的不同出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口的傳感器機(jī)箱模型進(jìn)行熱仿真計算，得到溫度云圖，左邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)時傳感器最高溫度為48.4587℃；左邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)時傳感器最高溫度為56.9488℃；左邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)時傳感器最高溫度為56.5919℃；左邊風(fēng)扇設(shè)置為進(jìn)風(fēng)，右邊風(fēng)扇設(shè)置為出風(fēng)時傳感器最高溫度為46.0879℃。由于出風(fēng)口的溫度更高且傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片的熱功耗比傳感器芯片更高，所以當(dāng)出風(fēng)口靠近傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片時，出風(fēng)口能迅速帶走傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的熱量，所以能快速降低機(jī)箱內(nèi)的溫度。

對不同的傳感器機(jī)箱高度模型進(jìn)行熱仿真計算得到的結(jié)果如圖5 所示，傳感器箱體高度為198mm 時傳感器最高溫度為42.4903℃；傳感器箱體高度為218mm時傳感器最高溫度為46.0879℃；傳感器箱體高度為238mm 時傳感器最高溫度為45.8802℃。由于傳感器機(jī)箱高度越小，機(jī)箱體積越小，空氣流動加快，所以在整體表現(xiàn)為機(jī)箱高度越小，最高溫度越低。

4 結(jié)論

通過傳熱理論計算，根據(jù)傳感器機(jī)箱內(nèi)部的散熱方式，運用ANSYS Icepak軟件進(jìn)行了不同因素的熱仿真計算，根據(jù)理論分析與仿真計算的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

圖5 3種不同傳感器機(jī)箱高度的仿真折線圖

（1）出風(fēng)口靠近傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)離傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片時，傳感器溫度最低，為42.4903℃。

（2）相比傳感器箱體高度為218mm 和238mm 時，傳感器箱體高度為198mm 時傳感器溫度最低，為46.0879℃。

（3）通過對傳感器的散熱仿真分析，得到了滿足工作溫度要求的機(jī)箱熱設(shè)計結(jié)構(gòu)，即傳感器箱體高度為198mm 且出風(fēng)口靠近傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片，進(jìn)風(fēng)口遠(yuǎn)離傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片。仿真結(jié)果為智能礦石分選機(jī)傳感器機(jī)箱的設(shè)計提供了參考和依據(jù)。