王冬雷
(沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司中央研究院,遼寧 沈陽 110169)
安裝大量電子元器件的控制柜工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量。隨著溫度的升高,熱量增長的效率呈指數(shù)增長,一些電子器件隨著環(huán)境溫度每增加10℃,故障率就提高1倍左右。例如,工業(yè)機(jī)器人控制柜內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,核心控制器和開關(guān)電源等都會(huì)散發(fā)大量熱量,工作中接觸的大負(fù)載工業(yè)機(jī)器人,在滿負(fù)載全速運(yùn)行的極限工況下,發(fā)熱量近千瓦,如果工業(yè)機(jī)器人控制柜的熱量得不到有效控制,會(huì)縮短電子元件的使用壽命,甚至?xí)斐晒I(yè)機(jī)器人運(yùn)行中出現(xiàn)異常。同時(shí),很多自動(dòng)化設(shè)備控制柜所處的工業(yè)環(huán)境較為惡劣,布滿灰塵、微粒和水等。常規(guī)通過安裝風(fēng)扇給控制柜進(jìn)行散熱的方式,在惡劣的環(huán)境中,極有可能將灰塵甚至是金屬微粒帶入控制柜內(nèi),噴濺的水也容易進(jìn)入控制柜內(nèi),對(duì)控制柜電子元器件的壽命產(chǎn)生影響,甚至?xí)霈F(xiàn)短路損毀的風(fēng)險(xiǎn)。本文根據(jù)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制柜的工作要求,對(duì)其熱交換器進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制柜的散熱,同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制柜的內(nèi)部電子器件進(jìn)行防塵防水的保護(hù)作用。
熱交換器按照其冷卻介質(zhì),一般可以分為空氣/空氣熱交換器(冷卻介質(zhì)為空氣)、空氣/水熱交換器(冷卻介質(zhì)為水)。冷卻介質(zhì)為空氣的熱交換器和冷卻介質(zhì)為水的熱交換器相比,不用考慮水源的問題,更適合工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的控制柜。如圖1所示,本文中冷卻介質(zhì)為空氣的熱交換器工作原理:通過分隔成互不相連通的外部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣換熱空間,形成空氣的外循環(huán)和內(nèi)循環(huán),外部空氣將內(nèi)部空氣的熱量帶出控制柜。同時(shí)可以有效地阻止外部環(huán)境中的灰塵、微粒和水等物質(zhì)進(jìn)入控制柜中,避免控制柜內(nèi)部的電子元器件遭受損害。
圖1 冷卻介質(zhì)為空氣的熱交換器工作原理
對(duì)熱交換器原理分析后,本文中熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為:通過中心散熱器和隔板將熱交換器殼體的內(nèi)腔分隔成互不相連通的外部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣換熱空間,使控制柜的內(nèi)部空氣不斷地經(jīng)過殼體的內(nèi)部空氣換熱空間,控制柜的外部空氣不斷地經(jīng)過殼體外部空氣換熱空間。
中心散熱器是熱交換器的核心散熱裝置,由散熱片和導(dǎo)熱管組成。散熱片中間設(shè)有散熱塊,其中一部分散熱塊位于外部空氣換熱空間中,并位于外部空氣進(jìn)氣口與外部空氣出氣口之間的位置,另一部分散熱塊位于內(nèi)部空氣換熱空間中,并位于內(nèi)部空氣進(jìn)氣口與內(nèi)部空氣出氣口之間的位置,散熱塊上向?qū)?yīng)的外部空氣換熱空間和內(nèi)部空氣換熱空間中分別延伸設(shè)有若干個(gè)導(dǎo)熱鰭片。散熱片上設(shè)有若干個(gè)導(dǎo)熱管,導(dǎo)熱管是通過在全封閉真空管內(nèi)液體的蒸發(fā)與凝結(jié)和利用毛細(xì)作用流體原理傳遞熱量的傳熱元件。各導(dǎo)熱管分別同時(shí)穿過各所有導(dǎo)熱鰭片,各導(dǎo)熱鰭片上開設(shè)有用于固定導(dǎo)熱管的U形槽,各導(dǎo)熱鰭片的長度方向均垂直于水平面,各導(dǎo)熱管整體均呈U形且長度方向均平行于水平面,保證導(dǎo)熱均勻,如圖2所示。通過導(dǎo)熱管以及具有導(dǎo)熱鰭片的散熱塊的配合設(shè)置,流經(jīng)外部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣換熱空間的空氣分別會(huì)從導(dǎo)熱鰭片之間的間隙穿過,可充分實(shí)現(xiàn)外部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣換熱空間之間的熱量交換,實(shí)現(xiàn)散熱效果。
圖2 中心散熱器
上述中心散熱器所用的散熱片采用鋁型材擠出模具擠出成型與機(jī)械加工相結(jié)合的加工方式,優(yōu)點(diǎn)是可以保證散熱片具有很好的一體性和經(jīng)濟(jì)性,缺點(diǎn)是受限于鋁型材擠出模具的限制,導(dǎo)熱鰭片不能太薄,間距不能過?。ㄍǔ:穸仍?~2mm,間距在3~5mm),這樣在體積不變的情況下,導(dǎo)熱鰭片的數(shù)量會(huì)受到限制,散熱面積也就受到限制。同時(shí),為了保證散熱片機(jī)械加工的精度和與導(dǎo)熱管的裝配,導(dǎo)熱鰭片上開設(shè)的是U型槽而不是圓孔,這樣導(dǎo)熱管與散熱片接觸的面積就會(huì)減少,對(duì)散熱效率會(huì)造成一定影響。這種由鋁合金散熱片和導(dǎo)熱管構(gòu)成的中心散熱器是用于一款發(fā)熱量在190W左右的小功率工業(yè)機(jī)器人控制柜里的熱交換器。
如果要給大功率控制柜散熱,就需要增加散熱器的散熱面積,這可以通過傳熱學(xué)理論對(duì)流換熱過程滿足方程論證:
式中,P為單位時(shí)間內(nèi)由散熱器傳遞到環(huán)境的熱量;α為對(duì)流換熱系數(shù);A為散熱器與空氣接觸的面積;Ts為散熱器表面的平均溫度;Ta為環(huán)境溫度。
一個(gè)散熱器的散熱效果可以用其熱阻Rth來描述:
熱阻較小的散熱器具有更好的散熱能力。
比較式(1)和式(2)可知:
式(3)說明對(duì)流換熱系數(shù)α和換熱面積A越大熱阻越小,散熱效果越好。
如圖3所示,如果在不通過增加散熱器體積方式來增加散熱面積的情況下,散熱片就需要采用插片式的導(dǎo)熱鰭片,這種散熱片的導(dǎo)熱鰭片是通過沖壓模具加工,然后一片一片插入導(dǎo)熱管堆疊在一起,最后與導(dǎo)熱管和散熱塊焊接在一起,優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱鰭片可以更薄,間距可以更小(通常厚度在0.5~1mm,間距在1.5~2mm),這樣導(dǎo)熱鰭片的數(shù)量就會(huì)大大增加,散熱面積隨之大幅增加。同時(shí),因?yàn)榧庸ず脱b配方式的改變,導(dǎo)熱鰭片與導(dǎo)熱管的插接孔可以加工成圓孔,這樣與導(dǎo)熱管的接觸面積也會(huì)增加。如表1所示,散熱塊還可以由鋁合金材料換成導(dǎo)熱系數(shù)更高且成本在可接受范圍內(nèi)的銅材料,這些都會(huì)顯著減小中心散熱器的熱阻,增加中心散熱器的散熱效率。缺點(diǎn)是需要焊接,加工工藝相對(duì)復(fù)雜,相對(duì)鋁型材散熱片成本高。
表1 常用金屬導(dǎo)熱系數(shù)
圖3 帶有插片式散熱鰭片的中心散熱器
隔板分為上隔板和下隔板分別與散熱器上的導(dǎo)熱塊和熱交換器的殼體相連,分隔出互不相連通的外部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣換熱空間。殼體為了滿足裝配和后期維護(hù)需要,主要由以下零件組成:外側(cè)上殼、外側(cè)下殼、上擋板、下?lián)醢?、?nèi)側(cè)上殼、內(nèi)側(cè)中殼和內(nèi)側(cè)下殼。同時(shí),為了更好地控制內(nèi)循環(huán)氣流的流動(dòng)方向,內(nèi)部空氣進(jìn)氣口處還設(shè)有導(dǎo)流罩;為了與控制柜裝配,在熱交換器兩側(cè)還設(shè)有安裝支架。外側(cè)下殼設(shè)有外部空氣進(jìn)氣口,外側(cè)上殼設(shè)有外部空氣出氣口,外部空氣換熱空間與外部空氣進(jìn)氣口及外部空氣出氣口相連通。內(nèi)側(cè)中殼設(shè)有內(nèi)部空氣出氣口,上擋板設(shè)有內(nèi)部空氣進(jìn)氣口,內(nèi)部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣進(jìn)氣口及內(nèi)部空氣出氣口相連通。為了保證安裝熱交換器后控制柜的密閉性,外部空氣進(jìn)氣口和外部空氣出氣口周圍均粘貼有密封墊。外部空氣風(fēng)扇安裝于外部空氣進(jìn)氣口處,內(nèi)部空氣風(fēng)扇安裝于內(nèi)部空氣進(jìn)氣口處。為了防止控制柜內(nèi)電線吸入風(fēng)扇內(nèi),內(nèi)部空氣風(fēng)扇頂部安裝有風(fēng)扇防護(hù)網(wǎng)罩。風(fēng)扇線纜穿過設(shè)在外側(cè)上殼和外側(cè)下殼側(cè)面上的線纜防水接頭與控制柜內(nèi)的電源及控制器相連接,如圖4所示。
圖4 熱交換器總裝圖及氣流示意
控制柜散熱常用的強(qiáng)制風(fēng)冷設(shè)備有軸流風(fēng)扇和離心風(fēng)機(jī),軸流風(fēng)扇是最常見的風(fēng)扇類型,它的氣流方向與轉(zhuǎn)軸平行,離心風(fēng)機(jī)的氣流流出方向與轉(zhuǎn)軸垂直。根據(jù)本文中熱交換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選用的是軸流風(fēng)扇。外部空氣風(fēng)扇很有可能與外部空氣中的灰塵、微粒和水等物質(zhì)接觸,所以需要選擇較高防護(hù)等級(jí)的軸流風(fēng)扇。工業(yè)用軸流風(fēng)扇選型重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)還有風(fēng)量和風(fēng)壓。風(fēng)量是單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)扇排出的空氣量,按每分鐘立方英尺來計(jì)算,單位就是CFM,如果按每分鐘立方米來算,單位就是m3/min。風(fēng)壓即風(fēng)扇出風(fēng)口與入風(fēng)口之間產(chǎn)生的壓強(qiáng)差,常見單位:Pa(帕斯卡)、mmH2O(毫米水柱)和inchH2O(英寸水柱)。
使用本文中熱交換器的控制柜是產(chǎn)品部門經(jīng)過調(diào)研市場眾多競品控制柜后確定的新產(chǎn)品。控制柜的外形尺寸已確定,也就是內(nèi)部空間已被限定,同時(shí)控制柜內(nèi)的電氣設(shè)備也需要安裝空間,最后根據(jù)留給熱交換器的安裝空間確定了熱交換器的外形尺寸,再通過熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),根據(jù)內(nèi)部空間布局確定了需要3個(gè)外部空氣風(fēng)扇和3個(gè)內(nèi)部空氣風(fēng)扇,單個(gè)風(fēng)扇的尺寸為60×60×25mm。而同尺寸軸流風(fēng)扇由于電機(jī)和結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)細(xì)分為不同風(fēng)量和風(fēng)壓的型號(hào),在綜合考慮性能和經(jīng)濟(jì)性的前提下,初步選定了一款參數(shù)適中的軸流風(fēng)扇,如表2所示。
表2 軸流風(fēng)扇型號(hào)參數(shù)
風(fēng)扇有并聯(lián)和串聯(lián)的安裝方式。如圖5所示,在系統(tǒng)阻力適中的情況下,并聯(lián)安裝風(fēng)量提升非常明顯,是所有風(fēng)扇風(fēng)量之和,但是不會(huì)增加最大風(fēng)壓;串聯(lián)安裝會(huì)增加最大風(fēng)壓,但是對(duì)風(fēng)量提升不明顯,而且如果系統(tǒng)阻力不高時(shí),風(fēng)壓提升也不明顯。所以熱交換器的外部空氣風(fēng)扇和內(nèi)部空氣風(fēng)扇均采用并聯(lián)安裝方式。
圖5 風(fēng)扇的并聯(lián)和串聯(lián)特性曲線
因?yàn)闊峥諝馔巷h也就是冷空氣比熱空氣沉,所以在下面的外部空氣進(jìn)氣口和內(nèi)部空氣出氣口處的空氣可以認(rèn)為是冷空氣,在上面的外部空氣出氣口和內(nèi)部空氣進(jìn)氣口處的空氣可以認(rèn)為是熱空氣。3個(gè)外部空氣風(fēng)扇并聯(lián)安裝在外側(cè)下殼的外部空氣進(jìn)氣口處,可以更好地將底部的冷空氣抽入熱交換器的外部空氣換熱空間。3個(gè)內(nèi)部空氣風(fēng)扇并聯(lián)安裝在上擋板的內(nèi)部空氣進(jìn)氣口處,可以更好地將控制柜內(nèi)頂部的熱空氣抽入熱交換器的內(nèi)部空氣換熱空間。同時(shí),殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合風(fēng)扇的安裝位置,還可以實(shí)現(xiàn)通過拆除內(nèi)側(cè)上殼和內(nèi)側(cè)下殼就可以對(duì)內(nèi)部空氣風(fēng)扇和外部空氣風(fēng)扇進(jìn)行安裝和后期維護(hù)的目的,如圖6所示。
圖6 拆除了內(nèi)側(cè)上殼和內(nèi)側(cè)下殼的熱交換器
為了驗(yàn)證選型風(fēng)扇性能是否能滿足熱交換器的需求,本文使用Solidworks Flow Simulation對(duì)熱交換器進(jìn)行了流體仿真驗(yàn)證。流體仿真設(shè)定的測試條件是根據(jù)使用本文熱交換器的小功率工業(yè)機(jī)器人控制柜的測試數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行的設(shè)定。控制柜溫度測試表明當(dāng)僅靠這款控制柜金屬柜體散熱,當(dāng)溫度穩(wěn)定后內(nèi)部溫度比使用環(huán)境溫度升高約13℃,為了留些余量設(shè)定溫升為15℃;同時(shí),控制柜的使用環(huán)境溫度最高參數(shù)為40℃,所以流體仿真設(shè)定的內(nèi)部空氣風(fēng)扇吸進(jìn)熱交換器氣流,也就是控制柜內(nèi)部的氣流溫度為最高環(huán)境溫度40℃加上溫升15℃得到的55℃;流體仿真設(shè)定的外部空氣風(fēng)扇吸進(jìn)熱交換器氣流也就是控制柜使用環(huán)境空氣溫度為40℃,如表3所示。同時(shí)如圖7所示,在仿真軟件里內(nèi)部,空氣風(fēng)扇和外部空氣風(fēng)扇的性能曲線是根據(jù)所選軸流風(fēng)扇風(fēng)壓和風(fēng)量特性曲線設(shè)定的。
表3 軸流風(fēng)扇流體仿真測試條件
圖7 根據(jù)選型風(fēng)扇特性曲線在仿真軟件里設(shè)定的風(fēng)扇性能曲線
通過查閱控制柜內(nèi)部電子元器件的使用環(huán)境溫度要求,確定其中對(duì)使用環(huán)境溫度要求比較嚴(yán)苛的電子元器件的最高使用溫度,也就是控制柜內(nèi)部最高溫度不宜超過50℃,所以熱交換器內(nèi)部空氣出氣口氣流溫度要控制在50℃以內(nèi)才能算通過驗(yàn)證。如圖8和表4所示,通過對(duì)按仿真軟件要求的簡化模型進(jìn)行流體仿真后,結(jié)果表明,內(nèi)部空氣出氣口處的溫度小于50℃,也就是熱交換器可以將這款小功率控制柜內(nèi)的空氣在溫度40℃使用環(huán)境中冷卻到50℃以內(nèi),所以選型軸流風(fēng)扇性能滿足熱交換器的需求。
表4 熱交換器流體仿真結(jié)果氣流溫度數(shù)據(jù)
圖8 熱交換器流體仿真結(jié)果
熱交換器安裝在控制柜側(cè)面板內(nèi)側(cè),如工作環(huán)境較為惡劣,需要在控制柜側(cè)面外部空氣進(jìn)氣口處配備濾塵棉,濾塵棉可以防止外部空氣中的灰塵和顆粒等進(jìn)入外部換熱空間,以免影響外部空氣風(fēng)扇和散熱器的散熱效率,濾塵棉可以定期清理或更換。市場上很多控制柜是掛在柜體外側(cè),這樣會(huì)影響控制柜的外觀,而且多為塑料殼體卡扣固定,風(fēng)扇啟動(dòng)后容易有噪音。為此本文熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過與控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配合,實(shí)現(xiàn)了將熱交換器的濾塵棉內(nèi)置于控制柜中。
控制柜側(cè)面板在對(duì)應(yīng)熱交換器外部空氣進(jìn)氣口處設(shè)置了濾芯槽,同時(shí)在濾芯槽和側(cè)面板對(duì)應(yīng)外部空氣進(jìn)氣口和外部空氣出氣口處密封墊內(nèi)的位置設(shè)置了通風(fēng)孔。熱交換器朝向控制柜側(cè)面板濾芯槽的外側(cè)下殼要比外側(cè)上殼低,這樣控制柜側(cè)面板的濾芯槽就內(nèi)置于由熱交換器外側(cè)下殼、外側(cè)上殼和兩側(cè)的安裝支架形成的凹槽里。
熱交換器通過兩側(cè)的安裝支架安裝到控制柜側(cè)面板上,側(cè)面板的濾芯槽朝向外部空氣進(jìn)氣口的側(cè)面與熱交換器外側(cè)下殼上設(shè)置的外部空氣進(jìn)氣口處的外表面之間擠壓有密封墊;控制柜側(cè)面板上設(shè)置通風(fēng)孔處周圍的內(nèi)表面與熱交換器外側(cè)上殼上設(shè)置外部空氣出氣口處的外表面之間也設(shè)有密封墊,這樣就可以將控制柜側(cè)面板通風(fēng)孔和濾芯槽通風(fēng)孔密封在熱交換器的外部空氣外循環(huán)范圍內(nèi),使外部空氣穩(wěn)定地從通風(fēng)孔及外部空氣進(jìn)氣口進(jìn)入殼體的外部空氣換熱空間,并穩(wěn)定地從外部空氣出氣口及通風(fēng)孔排出,如圖9所示。
圖9 熱交換器安裝在側(cè)面板上
將濾塵棉放入濾塵棉固定架內(nèi),濾塵棉固定架兩側(cè)安裝有松不脫手?jǐn)Q螺釘,濾芯槽兩側(cè)設(shè)有壓鉚螺母柱,手?jǐn)Q螺釘固定到濾芯槽壓鉚螺母柱后,濾塵棉就安裝固定在控制柜側(cè)面板的濾芯槽內(nèi),同時(shí)濾芯棉固定架的頂面上和濾芯槽朝向外部空氣進(jìn)氣口的側(cè)面上均開設(shè)有通風(fēng)孔。通過濾芯槽、濾塵棉及濾塵棉固定架的配合設(shè)置,可對(duì)從濾芯槽進(jìn)入外部空氣進(jìn)氣口的外部空氣進(jìn)行有效過濾,實(shí)現(xiàn)防塵的作用。安裝后,濾塵棉固定架的頂面與控制柜側(cè)面板外表面相平齊,也就使得濾芯棉內(nèi)置于控制柜里,使控制柜外觀更加美觀,如圖10所示。
圖10 濾塵棉的安裝過程
熱交換器在接到控制柜的供電和控制信號(hào)時(shí),同時(shí),使外部空氣進(jìn)氣口處的外部空氣風(fēng)扇及內(nèi)部空氣進(jìn)氣口處的內(nèi)部空氣風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn);外部空氣風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)后,控制柜外部的溫度較低的外部空氣先后通過濾塵棉固定架的通風(fēng)孔、濾塵棉、濾芯槽的通風(fēng)孔、外側(cè)下殼的外部空氣進(jìn)氣口、外部空氣換熱空間中的散熱塊的導(dǎo)熱鰭片和導(dǎo)熱管,經(jīng)過熱交換變?yōu)闊峥諝?,之后通過外側(cè)上殼的外部空氣出氣口和控制柜側(cè)面板的通風(fēng)孔排出;內(nèi)部空氣風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)后,控制柜內(nèi)部的溫度較高的內(nèi)部空氣先后通過上擋板的內(nèi)部空氣進(jìn)氣口、內(nèi)部空氣換熱空間中的散熱塊的導(dǎo)熱鰭片和導(dǎo)熱管,經(jīng)過熱交換變?yōu)槔淇諝猓笸ㄟ^內(nèi)側(cè)中殼的內(nèi)部空氣出氣口排入控制柜內(nèi)部;就這樣控制柜的內(nèi)部空氣不斷地經(jīng)過熱交換器的內(nèi)部空氣換熱空間,控制柜的外部空氣不斷地經(jīng)過熱交換器的外部空氣換熱空間,外部空氣將內(nèi)部空氣的熱量不斷地帶出控制柜,實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制柜的散熱,同時(shí),還能實(shí)現(xiàn)對(duì)控制柜的內(nèi)部電子元器件進(jìn)行防塵防水的保護(hù)作用,如圖11所示。
在對(duì)冷卻介質(zhì)為空氣的熱交換器工作原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制柜的熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了2種中心散熱器。同時(shí)為了滿足熱交換器的生產(chǎn)裝配,對(duì)散熱片、隔板和殼體進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),尤其是針對(duì)殼體設(shè)計(jì)了7個(gè)主要結(jié)構(gòu)零件,并對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行了選型和流體仿真驗(yàn)證。為熱交換器外部空氣進(jìn)氣口處配備了濾塵棉,為了濾塵棉能夠內(nèi)置于控制柜和方便后期維護(hù),設(shè)計(jì)了濾塵棉固定架,并對(duì)控制柜側(cè)面板進(jìn)行了協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),協(xié)助控制柜在達(dá)到防護(hù)等級(jí)和散熱要求的同時(shí)更加美觀。