核級DCS機(jī)箱設(shè)備散熱性能研究及影響因素分析

李華橋,田文喜,陳 偉,,李發(fā)強(qiáng),,王東偉

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 西安 710049;2.中國核動力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610213)

0 引言

核安全級數(shù)字化控制系統(tǒng)(DCS)是核電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵組成部分,其穩(wěn)定性和可靠性對反應(yīng)堆的正常運(yùn)行意義重大[1]?？紤]到DCS中安裝了大量的電子元器件,因此其熱穩(wěn)定性會對整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。從DCS的安全性和可靠性角度考慮,目前DCS的散熱方式采用強(qiáng)迫風(fēng)冷技術(shù),即在高發(fā)熱器件上安裝特定的散熱器,利用風(fēng)扇增大散熱器表面的空氣流速,從而實(shí)現(xiàn)器件的降溫。因此,深入探究DCS設(shè)備的熱學(xué)性能,是實(shí)現(xiàn)高效散熱的關(guān)鍵[2]。

目前,研究者對影響電子設(shè)備散熱性能的關(guān)鍵因素和前沿技術(shù)開展了大量的研究[3-15]。劉佳鑫等[9]研究了冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與散熱器性能之間的關(guān)系特征,采用具有大迎風(fēng)面和低厚度的散熱器,并聯(lián)式雙風(fēng)扇散熱方案進(jìn)行數(shù)值仿真,結(jié)果表明采用雙風(fēng)扇可以提高中冷器的散熱性能。王秋曉等[10]探究了電子機(jī)箱內(nèi)部電路板表面的局部傳熱系數(shù),發(fā)現(xiàn)沿電路板的長度方向,電路板局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是先降低后增大。王敏等[11]針對動車組邏輯控制機(jī)箱內(nèi)繼電器表面溫度過高的問題,提出一種改善繼電器表面溫度的散熱結(jié)構(gòu)。通過對比分析改進(jìn)前后的機(jī)箱繼電器表面溫度和內(nèi)腔溫度的變化,驗(yàn)證散熱結(jié)構(gòu)的有效性。Sheremet等[13]研究了瑞利數(shù)、翅片高度、納米顆粒濃度對腔內(nèi)熱量傳輸和流動結(jié)果的影響,研究結(jié)果表明,翅片高度和納米顆粒濃度的上升有助于熱源的散熱。

以上研究為電子設(shè)備散熱性能及其關(guān)鍵影響因素提供了重要參考。但是,上述研究主要針對密閉機(jī)箱、散熱翅片等領(lǐng)域,且單純的理論研究并沒有證明所建立模型的準(zhǔn)確性和可靠性。此外,目前關(guān)于核電儀控設(shè)備的熱學(xué)性能及其影響參數(shù)的研究工作非常有限,難以為核電儀控設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)提供足夠的參考。

本研究對某安全級DCS機(jī)箱的熱學(xué)性能開展研究。首先建立該機(jī)箱系統(tǒng)的有限元模型,利用Flotherm模擬計(jì)算機(jī)箱在正常工作狀態(tài)下的溫度變化特性,并同試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,從而確保模型的可靠性與準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,本研究重點(diǎn)分析了取熱方式、通風(fēng)率、進(jìn)風(fēng)方式以及風(fēng)量等參數(shù)對系統(tǒng)溫度變化的影響,通過探究上述參數(shù)的變化對系統(tǒng)溫度的作用效果,從而提出改進(jìn)機(jī)箱系統(tǒng)散熱性能的有效手段。

1 傳熱基本理論

1.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是一種換熱現(xiàn)象,由存在溫度差的高溫物體和低溫物體接觸后產(chǎn)生。其導(dǎo)熱過程中總熱流量與引起換熱的溫差和導(dǎo)熱面積成正比,且與物體的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

Ф=λ·A·Δt

(1)

式中:Φ為熱流量,W;λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);A為垂直于熱流方向的截面面積,m2;Δt為溫差,℃。

1.2 熱對流

熱對流是由存在溫度差的流體和固體耦合后產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象,也稱為對流換熱。其總的換熱量與引起換熱的溫差和導(dǎo)熱面積成正比,且與物體固有的對流換熱系數(shù)有關(guān),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

Ф=α·A·Δt

(2)

式中:Φ為對流換熱量,W;α為對流換熱系數(shù),W/(m2·℃);A為換熱面積,m2;Δt為流體與固體的溫差,℃。

1.3 熱輻射

熱輻射是由高于絕對零度的物體之間互相輻射和接收能量而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。輻射換熱的物理規(guī)律描述為斯蒂芬伯爾曼黑體輻射計(jì)算公式:

(3)

式中:Φ為輻射換熱量,W;α為黑體輻射常數(shù),為5.67×10-8W/(m2·K4);A為輻射表面積,m2;T為輻射表面絕對溫度,K。

在核儀控領(lǐng)域主要采用自然對流散熱或強(qiáng)制風(fēng)冷散熱,熱輻射因?yàn)槠鋫鳠崃肯鄬^少,一般忽略不計(jì),主要考慮熱傳導(dǎo)和熱對流的影響[2]。

2 試驗(yàn)與建模仿真

2.1 試驗(yàn)分析

某安全級DCS機(jī)箱結(jié)構(gòu)外形尺寸為寬度482.6 mm×高度132 mm×深度320 mm(不含把手和定位銷等突出部件),如圖1(a)所示。該機(jī)箱上、下面均有通風(fēng)孔,有14個(gè)卡槽,卡槽間距30.48 mm,從左至右分別編號為卡槽1至卡槽14,其實(shí)物圖見圖1(b)。每個(gè)卡槽可以安裝1個(gè)插件盒,插件盒包括面板和殼體,上述殼體上下面均有散熱孔,插件盒主要用于安裝和保護(hù)內(nèi)部的各種功能模塊,其外形見圖1(c)。功能模塊外形見圖1(d),主要為PCB板及相關(guān)連接器,PCB板通過6個(gè)螺柱固定在插件盒殼體上。其中卡槽1和卡槽2均安裝主控模塊,主控模塊上主要有4個(gè)發(fā)熱器件,分別定義為U1、U2、U3、U4,其位置示意見圖1(d),其發(fā)熱相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1 機(jī)箱和模塊結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主控模塊的主要發(fā)熱器件參數(shù)

從表1可以看出,芯片U1單位表面積發(fā)熱功耗和與PCB單位接觸的單位面積發(fā)熱功耗均為最大,為保證其正常運(yùn)行,安裝有翅片型式的散熱器進(jìn)行輔助散熱,其示意圖如圖2(a)。在研發(fā)過程中,需要將機(jī)箱系統(tǒng)放置在溫箱中進(jìn)行長期穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)。詳細(xì)試驗(yàn)過程為:將裝配好的機(jī)箱放入溫箱內(nèi)部,并將電源、信號電纜從專用接線口引出,關(guān)閉溫箱柜門,保證溫箱內(nèi)部與外部環(huán)境隔絕。隨后將溫箱內(nèi)部目標(biāo)溫度設(shè)置為25 ℃,溫升速度不大于1 ℃/min,溫箱啟動工作。最后待溫箱內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定半小時(shí)后,對機(jī)箱上電運(yùn)行。機(jī)箱工作后,監(jiān)測其信號精度、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù),以確定其功能、性能滿足要求。試驗(yàn)裝置如圖2(b)所示。

圖2 試驗(yàn)狀態(tài)圖片

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行,U1處的溫度呈現(xiàn)出上升的趨勢,并在試驗(yàn)進(jìn)行3 h后芯片溫度達(dá)到穩(wěn)定,通過對U1處的溫度進(jìn)行測試,可見穩(wěn)定階段的芯片溫度為87.9 ℃。雖然該溫度下能夠保證該芯片正常工作,不會出現(xiàn)瞬時(shí)溫度過高的現(xiàn)象,但是盡可能控制該溫度的上升程度依然非常有必要。

圖3 U1芯片試驗(yàn)溫度曲線

2.2 有限元模擬分析

建立機(jī)箱的有限元模型,如圖4(a)所示,模擬機(jī)箱在自然散熱作用下的溫度變化。該機(jī)箱的主體材料為5052鋁合金,殼體厚度為2 mm,機(jī)箱的頂面和底面有通風(fēng)孔,通風(fēng)孔面積均為 260 mm×400 mm,通風(fēng)率為 50%。插件盒前面板為4 mm厚的壓鑄鋁,盒體為 2 mm厚的5052鋁合金。插件盒為上下開通風(fēng)孔結(jié)構(gòu),通風(fēng)孔面積均為300 mm×20 mm,通風(fēng)率為50%。

如圖4(b)所示,在主控模塊上有發(fā)熱芯片U1、U2、U3和U4,均位于同側(cè)且互不接觸。主要發(fā)熱芯片U1上使用翅片型散熱器,散熱器材料為6061鋁合金,散熱器底座尺寸為35 mm×35 mm×3 mm,翅片數(shù)量為7個(gè),翅片高度8 mm,翅片厚度2 mm,翅片間距3.5 mm。除主控模塊外,機(jī)箱內(nèi)還安裝有12塊功能模塊,設(shè)置上述功能模塊的發(fā)熱功耗為3 W且均勻分布在整個(gè)PCB板上。PCB板與插件盒之間的螺柱有傳熱接觸,對其簡化為等截面積的立柱,設(shè)定PCB材質(zhì)為FR4,環(huán)境溫度為25 ℃,系統(tǒng)分析區(qū)域尺寸為600 mm×500 mm×886 mm,并對主控模塊的芯片和散熱器區(qū)域進(jìn)行局域網(wǎng)格劃分,最終網(wǎng)格數(shù)量為2 396 349個(gè)。

圖4 機(jī)箱和插件盒熱仿真模型示意圖

圖5為穩(wěn)定階段機(jī)箱系統(tǒng)的溫度分布云圖,可以看出,由于主控制卡的U1芯片功耗較大,因此U1芯片發(fā)熱嚴(yán)重,形成了局部高溫區(qū)域,且該熱量逐步向周邊擴(kuò)散。另外,可見穩(wěn)定階段U1芯片的最高溫度為90 ℃,該溫度與實(shí)際采集溫度87.9 ℃基本一致。因此研究結(jié)果證明了改有限元模型的可靠性,可用于后續(xù)的理論模擬分析。

圖5 機(jī)箱散熱仿真結(jié)果

3 機(jī)箱散熱性能研究

機(jī)箱頂部表面溫度分布如圖6(a)所示。可以看出,安裝主控模塊的卡槽1和卡槽2處溫度最高,為39.8 ℃,并且熱量逐漸向周邊傳遞。當(dāng)熱量傳遞至卡槽8時(shí),頂蓋溫度降低至37.5 ℃;進(jìn)一步地,在卡槽14處,機(jī)箱頂蓋處的溫度降低至34.3 ℃。對比各模塊發(fā)熱功耗,主控模塊的發(fā)熱功耗最大,為7 W,其余功能模塊的發(fā)熱功耗均為3 W。該結(jié)果證明機(jī)箱表面溫度與功能模塊的發(fā)熱功耗分布是一致的。進(jìn)一步地,對機(jī)箱底部表面溫度分布進(jìn)行分析,結(jié)果見圖6(b)。可以看出,卡槽1處底蓋溫度為38.7 ℃,相比于頂蓋溫降低1.1 ℃;卡槽8處的底蓋溫度為35.7 ℃,相比于頂蓋溫度降低1.8 ℃;卡槽14處底蓋溫度為33.8 ℃,相比于頂蓋溫度降低0.5 ℃。該現(xiàn)象證明,在機(jī)箱的同一豎直方向,熱量有向上傳遞的趨勢。

圖6 機(jī)箱散熱仿真結(jié)果

機(jī)箱內(nèi)部壓強(qiáng)分布見圖7(a),可見在機(jī)箱工作時(shí),隨著各模塊溫度的升高,使得機(jī)箱內(nèi)部空氣溫度隨之升高,熱空氣密度降低后向上流動形成正壓,并從頂部通風(fēng)孔逸出。相比之下,機(jī)箱底部形成負(fù)壓,冷空氣自機(jī)箱底部通風(fēng)孔進(jìn)入機(jī)箱,以此形成自下而上的空氣對流。

圖7 機(jī)箱壓強(qiáng)和空氣流速仿真結(jié)果

從圖7(b)可以看出,空氣從機(jī)箱底部以較低流速進(jìn)入機(jī)箱,在機(jī)箱內(nèi)部沿結(jié)構(gòu)件之間的間隙向上流動。空氣在流動過程中帶走器件表面產(chǎn)生的熱量,伴隨著空氣溫度的升高,其流動速度增大,最終以較快速度從機(jī)箱頂部逸出。

4 機(jī)箱散熱影響因素分析

在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的狀態(tài)下,機(jī)箱和插件盒的散熱性能主要取決于傳熱面積、對流散熱面積、熱源與環(huán)境溫度差值等。本研究從取熱方式、通風(fēng)率、進(jìn)風(fēng)方式和風(fēng)量等4個(gè)方面,探究上述參數(shù)的變化對機(jī)箱散熱性能的影響。

4.1 取熱方式對散熱性能的影響

對現(xiàn)有取熱方式進(jìn)行總結(jié),如表2所示。其中方案1常見于普通電子元器件,如電阻、電容、DC/DC模塊等;方案2適用于發(fā)熱量較大的產(chǎn)品,如主處理器芯片;方案3和方案4常見于獨(dú)立模塊,該類模塊通常單獨(dú)安裝,獨(dú)立承擔(dān)特定功能;方案5常見于航空航天等發(fā)熱量大或密閉空間等環(huán)境。其中方案1和方案2使用最為普遍,方案3至方案5加工難度依次提升,常用于存在高散熱需求的密閉環(huán)境中。

表2 取熱方式總結(jié)

對上述方案進(jìn)行散熱仿真,各方案下的溫度云圖如圖8所示,對以上各方案的芯片型心位置的溫度進(jìn)行采集對比,其結(jié)果如表3和圖9所示。

圖8 各方案下的PCB板溫度云圖

表3 方案1-5芯片最高溫度 ℃

當(dāng)芯片增加了翅片散熱器后(方案2),由于散熱器的鋁制材料具有良好的導(dǎo)熱性能,且散熱翅片增大了散熱面積,因此芯片U1的穩(wěn)態(tài)溫度顯著下降,為87.3 ℃。與此同時(shí),U2、U3和U4的溫度也顯著下降,均低于70 ℃。當(dāng)對芯片采用導(dǎo)熱墊取熱至插件盒殼體上(方案3),由于導(dǎo)熱墊良好的導(dǎo)熱性能以及插件盒殼體進(jìn)一步增大了散熱面積,所有芯片的穩(wěn)態(tài)溫度均低于60 ℃,熱量進(jìn)一步耗散。在方案3的基礎(chǔ)上,通過將殼體表面修飾成為翅片形式(方案4),溫度進(jìn)一步下降,最大功耗的發(fā)熱器件U1的穩(wěn)態(tài)溫度僅為51.9 ℃。進(jìn)一步地,將熱量通過插件盒殼體傳遞至機(jī)箱本體(方案5),可以看出溫度進(jìn)一步下降,U1的穩(wěn)態(tài)溫度僅為50.6 ℃,且其他各器件的最高溫度均有明顯下降,并且相比于其他方案,通過熱量的傳遞實(shí)現(xiàn)增大散熱面積的手段,在降低器件溫度的同時(shí),也使得各器件的溫度分布更加均勻,不同器件之間的穩(wěn)態(tài)溫度更加接近,局部過熱的現(xiàn)象逐漸消失。

圖9 方案1-5芯片最高溫度對比

4.2 通風(fēng)率對散熱性能的影響

在儀控設(shè)備機(jī)箱中,為方便機(jī)箱散熱,一般在機(jī)箱的上/下面進(jìn)行鏤空處理,鏤空面積與單位總面積的比值通常稱為通風(fēng)率。本研究逐步改變機(jī)箱上/下蓋板的通風(fēng)率,并取卡槽1處主控模塊的U1芯片為研究對象,結(jié)果如表4所示。

表4 通風(fēng)率變化和仿真結(jié)果

續(xù)表(表4)

由表4可以看出,當(dāng)濾網(wǎng)通風(fēng)率為10%時(shí),U1芯片的最高溫度達(dá)到了91.1 ℃;當(dāng)濾網(wǎng)通風(fēng)率增大為20%時(shí),U1芯片的最高溫度有所降低,達(dá)到了90.7 ℃;隨著通風(fēng)率進(jìn)一步增大,U1最高溫度持續(xù)下降,當(dāng)濾網(wǎng)通風(fēng)率增大為80%時(shí),U1芯片的最高溫度降至87.3 ℃,可見機(jī)箱的散熱性能隨著濾網(wǎng)通風(fēng)率的提高而逐步提升。芯片溫度與進(jìn)出風(fēng)口通風(fēng)率的關(guān)系見圖10。可以看出,芯片的最高溫度和濾網(wǎng)通風(fēng)率呈現(xiàn)出近似線性遞減的關(guān)系,該結(jié)論對結(jié)構(gòu)通風(fēng)率的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

圖10 芯片溫度與進(jìn)出風(fēng)口通風(fēng)率的關(guān)系曲線

4.3 進(jìn)風(fēng)方式對機(jī)箱散熱性能的影響

在核安全級DCS系統(tǒng)中,風(fēng)扇通常位于機(jī)箱的上方或下方,如圖11所示。此時(shí)存在2種進(jìn)風(fēng)方式的情況,即:風(fēng)扇位于機(jī)箱上方向外吸風(fēng)和風(fēng)扇位于機(jī)箱下方向內(nèi)送風(fēng)。對這2種方式的散熱效果進(jìn)行分析,保持機(jī)箱內(nèi)各部件的熱學(xué)參數(shù)不變,并取U1芯片溫度為研究對象,結(jié)果見圖12。

圖11 機(jī)箱與風(fēng)扇位置示意圖

圖12 改變進(jìn)風(fēng)方式后的散熱仿真結(jié)果

可以看出,風(fēng)扇位于機(jī)箱上方并向外吸風(fēng)時(shí),U1的穩(wěn)態(tài)溫度為59.8 ℃;風(fēng)扇位于機(jī)箱下方并向內(nèi)送風(fēng)時(shí),U1的穩(wěn)態(tài)溫度為63 ℃。本研究結(jié)果證明:風(fēng)扇位于機(jī)箱上方并向外吸風(fēng)時(shí),U1的穩(wěn)態(tài)溫度更低,機(jī)箱的散熱效果更佳。對比2種進(jìn)風(fēng)方式的內(nèi)部氣流,如圖13所示。風(fēng)扇位于機(jī)箱下方時(shí),通過底部向上送風(fēng)使機(jī)箱內(nèi)部形成正壓,此時(shí)空氣向各方向流動,并從機(jī)箱頂部的通風(fēng)孔排出機(jī)箱,在此過程中形成渦流,降低散熱效率。風(fēng)扇位于機(jī)箱上方并向外吸風(fēng)時(shí),在機(jī)箱內(nèi)部形成負(fù)壓,冷空氣從機(jī)箱底部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入機(jī)箱內(nèi)部,此種方式更有利于風(fēng)道的形成,散熱效率更高。

圖13 2種進(jìn)風(fēng)方式內(nèi)部氣流情況對比

4.4 風(fēng)量對機(jī)箱散熱性能的影響

在DCS系統(tǒng)中,因電壓、功率的不同會選用不同規(guī)格的風(fēng)扇,這些風(fēng)扇在尺寸、靜壓、風(fēng)量的方面均存在差異。為研究不同風(fēng)量對機(jī)箱散熱性能的影響,本研究通過改變風(fēng)扇的固定風(fēng)量,對比芯片U1穩(wěn)態(tài)溫度,探究風(fēng)量變化對機(jī)箱散熱性能的影響。在有限元模型中,將風(fēng)扇設(shè)定在機(jī)箱上方且向外吸風(fēng),設(shè)置通風(fēng)率為50%,環(huán)境溫度為25 ℃。將風(fēng)扇的風(fēng)量由20 m3·h-1逐步提升至160 m3·h-1,主控模塊溫度隨風(fēng)扇風(fēng)量變化的結(jié)果見表5,并將相關(guān)參數(shù)繪制為圖14。

表5 風(fēng)扇風(fēng)量變化和仿真結(jié)果

續(xù)表(表5)

圖14 風(fēng)扇風(fēng)量與U1穩(wěn)態(tài)溫度關(guān)聯(lián)曲線

可以看出,隨著風(fēng)扇風(fēng)量的逐步上升,U1的穩(wěn)態(tài)溫度由71.8 ℃逐漸降低至47.8 ℃,機(jī)箱的散熱性能也逐步提高。在實(shí)際使用過程中,若相同尺寸和電壓的風(fēng)扇需要提高風(fēng)量,往往意味著更大的功耗,而在DCS系統(tǒng)內(nèi)分配給散熱系統(tǒng)的功耗是有限的,同時(shí)提升風(fēng)量往往會帶來更大的噪音,因此在選擇風(fēng)扇時(shí)需要綜合考慮。

4 結(jié)論

1) 機(jī)箱表面溫度受內(nèi)部安裝功能模塊的影響,功能模塊熱功耗越高,其表面溫度越大。在同一功能模塊位置,機(jī)箱頂部的表面溫度高于底部的表面溫度。此外,機(jī)箱在自然對流狀態(tài)下,空氣以“下進(jìn)上出”的方式進(jìn)行流動,且機(jī)箱頂部的空氣流速大于底部的空氣流速。

2) 通過芯片-導(dǎo)熱墊-翅片式殼體-機(jī)箱的取熱方式散熱效果最優(yōu),相比自然散熱,能夠顯著降低關(guān)鍵器件的表面溫度55.4 ℃。

3) 通風(fēng)率與機(jī)箱散熱性能呈正相關(guān)關(guān)系。研究表明,機(jī)箱的通風(fēng)率逐步上升時(shí),器件溫度呈近似線性下降的關(guān)系。

4) 當(dāng)風(fēng)扇安裝于機(jī)箱上方進(jìn)行吸風(fēng)時(shí),關(guān)鍵器件溫度下降為59.8 ℃。相比之下,當(dāng)風(fēng)扇安裝于機(jī)箱下方送風(fēng)時(shí),關(guān)鍵器件溫度下降為63 ℃。因此,風(fēng)扇安裝于機(jī)箱上方為較優(yōu)的選擇。

5) 機(jī)箱的散熱性能受風(fēng)扇送風(fēng)量的影響,風(fēng)量越大,機(jī)箱的散熱性能越好。