王 飛，張瀏駿，許佩佩

(上海新時達電氣股份有限公司， 上海 201801)

不同防護等級風(fēng)扇罩的損失特性研究*

王 飛，張瀏駿，許佩佩

(上海新時達電氣股份有限公司， 上海 201801)

通過實驗和仿真數(shù)據(jù)對比，文中提出了一種包含不同防護等級風(fēng)扇罩的風(fēng)扇一體化建模方案。用給定風(fēng)扇罩的通風(fēng)率和風(fēng)扇的P-Q特性曲線代替單個風(fēng)扇罩的損失特性曲線，從而在風(fēng)扇罩損失特性曲線未知的情況下也可以完成散熱仿真設(shè)計，并且仿真和實測數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)。風(fēng)扇罩為出風(fēng)口即風(fēng)扇的工作方式為抽風(fēng)時，風(fēng)扇罩的存在對風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓影響均較大。文中提出的仿真方案和計算結(jié)果可為高防護等級控制柜的熱設(shè)計及熱仿真提供仿真方法和參考數(shù)據(jù)。

防護等級；風(fēng)扇罩；損失特性；熱仿真

引 言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，變頻器作為一種變頻節(jié)能設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，并且不同行業(yè)和不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ冾l器使用環(huán)境的要求也不一致[1]。如礦山行業(yè)要求變頻器能在灰塵聚集和腐蝕性較強的環(huán)境中使用，空調(diào)行業(yè)要求變頻器能在戶外多塵多雨的環(huán)境中使用。為了適應(yīng)各種惡劣且多變的使用環(huán)境，高防護等級的變頻控制柜應(yīng)運而生。高防護等級(一般為IP54及以上)的變頻控制柜可以根據(jù)不同的防護等級調(diào)整自身設(shè)計，變頻器只需要滿足IP20的防護等級即可[2]。

據(jù)資料統(tǒng)計，電子元器件的溫度每升高2 ℃，可靠性下降10%，溫升為50℃，壽命只有25℃時的1/6[3]。因此，電子元器件的有效散熱是保障其可靠性工作的關(guān)鍵，散熱問題就成了電氣控制柜設(shè)計需要考慮的重要因素。尤其高防護等級的控制柜，一方面要求具有防塵防水的性能；另一方面又要求通風(fēng)散熱性能穩(wěn)定、可靠，如此高標準的要求給熱設(shè)計工作帶來很大的困難[4]。目前主流的熱設(shè)計方法是根據(jù)系統(tǒng)的總功耗初步計算所需散熱器的尺寸以及通風(fēng)量，然后利用熱仿真軟件(Icepak、Flotherm等)修正熱設(shè)計方案[5]。熱仿真時，風(fēng)扇的P-Q特性曲線可以根據(jù)風(fēng)扇規(guī)格書確定，但是包含高防護等級風(fēng)扇罩的風(fēng)扇特性曲線一般無法獲得，需要在建模時分別單獨考慮風(fēng)扇和風(fēng)扇罩這兩個因素。如果風(fēng)扇罩的損失特性曲線不準確，就會影響仿真的準確度和精度，乃至影響整柜的散熱設(shè)計。

本文通過實驗和仿真數(shù)據(jù)對比，提出了一種包含不同防護等級風(fēng)扇罩的風(fēng)扇一體化建模方案。用給定風(fēng)扇罩的通風(fēng)率和風(fēng)扇的P-Q特性曲線代替單個風(fēng)扇罩的損失特性曲線，從而在風(fēng)扇罩損失特性曲線未知的情況下也可以完成散熱仿真設(shè)計，并且仿真和實測數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)。本文提出的仿真方案和計算結(jié)果可為高防護等級控制柜的熱設(shè)計及熱仿真提供仿真方法和參考數(shù)據(jù)。

1 實驗研究

本文的實驗系統(tǒng)由散熱器、加熱模塊、風(fēng)扇和不同防護等級風(fēng)扇罩組成，如圖1所示，該模型屬于系統(tǒng)級散熱。

圖1 實驗方案(含測點位置)

作為主要發(fā)熱源的加熱模塊，其散熱途徑主要有兩種：1)加熱模塊通過導(dǎo)熱硅脂將熱量傳導(dǎo)到散熱器；2)外界空氣通過風(fēng)扇強制對流換熱帶走散熱器熱量。實驗用散熱器寬度W=204 mm，高度H=87 mm，長度L=152mm，基板厚度tb=10mm，翅片厚度t=1 mm，翅片間隙s=3 mm，翅片個數(shù)Nf=49個。為了使實驗具有代表性，選取3種常用風(fēng)扇：科碩G1225Y24BALBxy-7、科碩R1238H24BALBxy-7和臺達AFB1224GHE-C，風(fēng)扇的工作方式為抽風(fēng)或吹風(fēng)。散熱器上加熱模塊尺寸為120 mm × 60 mm × 24 mm，內(nèi)含兩根加熱棒的尺寸均為長l=120mm，半徑r=4 mm，單根加熱棒的功率為P=360 W。

3款風(fēng)扇工作方式為抽風(fēng)和吹風(fēng)，風(fēng)扇罩的形式分為高防護等級(IP54)和低防護等級(無空氣過濾棉，IP34)。

首先，對科碩G1225Y24BALBxy-7風(fēng)扇做抽風(fēng)和吹風(fēng)溫升實驗。風(fēng)扇工作方式為抽風(fēng)時，風(fēng)扇罩為出風(fēng)口；風(fēng)扇工作方式為吹風(fēng)時，風(fēng)扇罩為進風(fēng)口。根據(jù)流體流動時由于黏性力造成的能量損失，流動中單位重力流體的損失用hf表示[6]：

(1)

式中：ξ為損失系數(shù)，由流動狀態(tài)決定；l為流動軌跡長度；d為流動直徑；v為來流速度。從式(1)可以看出，流動損失與來流速度的平方成正比，即在流動狀態(tài)一致時，來流速度越大，流動損失也越大。

實驗只改變了風(fēng)扇的工作方式，風(fēng)扇與風(fēng)扇罩的相對位置并沒有改變。當(dāng)風(fēng)扇罩為進風(fēng)口時，外界空氣先流經(jīng)風(fēng)扇罩再流經(jīng)風(fēng)扇，流經(jīng)風(fēng)扇罩的速度較??；當(dāng)風(fēng)扇罩為出風(fēng)口時，空氣先流經(jīng)風(fēng)扇再流經(jīng)風(fēng)扇罩，流經(jīng)風(fēng)扇罩的速度較大。因此，風(fēng)扇罩為出風(fēng)口，即風(fēng)扇的工作方式為抽風(fēng)時，風(fēng)扇罩的存在對風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓影響均較大，為后續(xù)仿真確定風(fēng)扇罩的通風(fēng)率提供了參考數(shù)據(jù)。

同時考慮到高防護等級風(fēng)扇罩和低防護等級風(fēng)扇罩的應(yīng)用情況，實驗測試了2種風(fēng)扇罩(下文稱高防護等級風(fēng)扇罩為IP54風(fēng)扇罩、低防護等級風(fēng)扇罩為IP34風(fēng)扇罩)的溫升。圖2為2種風(fēng)扇罩配合科碩G1225Y24BALBxy-7風(fēng)扇時的溫升數(shù)據(jù)。

圖2 不同防護等級風(fēng)扇罩溫升數(shù)據(jù)(G1225Y)

從圖2可以看出，IP54風(fēng)扇罩的使用會使溫升數(shù)據(jù)有明顯的上升，這也可以解釋為IP54風(fēng)扇罩為了達到防塵效果(并不能完全阻止灰塵進入，但是灰塵的進入量不會對設(shè)備造成傷害)，一般會在風(fēng)扇罩內(nèi)部增加空氣過濾棉，空氣過濾棉的阻力偏大，從而造成風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓損失較大，進而影響散熱能力；但是IP34風(fēng)扇罩的防塵等級較低(球體直徑為2.5 mm的固體不應(yīng)完全進入)，只需要單獨的風(fēng)扇罩即可滿足要求，使系統(tǒng)的散熱能力較IP54有很大提升。圖3和圖4分別是IP54風(fēng)扇罩和IP34風(fēng)扇罩配合科碩R1238H24BALBxy-7風(fēng)扇和臺達AFB1224GHE-C風(fēng)扇時的溫升數(shù)據(jù)。

圖3 不同防護等級風(fēng)扇罩溫升數(shù)據(jù)(R1238H)

圖4 不同防護等級風(fēng)扇罩溫升數(shù)據(jù)(AFB1224GHE-C)

從圖3和圖4也可以看出，不僅風(fēng)扇罩的防護等級會影響風(fēng)扇的散熱能力，風(fēng)扇的工作方式也會影響其散熱能力。相同防護等級工況下，工作方式為抽風(fēng)的風(fēng)扇的溫升要明顯大于工作方式為吹風(fēng)的風(fēng)扇，這也驗證了上文所分析的風(fēng)扇罩為出風(fēng)口，即風(fēng)扇的工作方式為抽風(fēng)時，風(fēng)扇罩的存在對風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓影響均較大。

2 仿真對比

Icepak是常用的電子電氣設(shè)備熱仿真軟件，其可以減少熱設(shè)計成本，提高產(chǎn)品的一次成功率[7]。由于本文主要研究不同防護等級風(fēng)扇罩的阻力損失，不涉及IGBT功率模塊，因此對仿真模型進行了簡化處理。

圖5是本文提出的包含高防護等級風(fēng)扇罩的風(fēng)扇一體化仿真模型，仿真模型重點關(guān)注了風(fēng)扇及不同防護等級風(fēng)扇罩的建模。其中，風(fēng)扇使用Icepak中自帶的風(fēng)扇模型，風(fēng)扇罩簡化為一個腔體和一個grille的組合體，不同的grille通風(fēng)率代表不同的防護等級。采用這種建模方案只需按照給定的通風(fēng)率就可以在風(fēng)扇罩損失特性曲線未知的情況下完成散熱設(shè)計及散熱仿真。圖6為一種包含高防護等級風(fēng)扇罩的仿真模型所計算出的溫度云圖。

由于仿真模型中涉及到用不同的grille通風(fēng)率代表不同的防護等級，本文根據(jù)經(jīng)驗和迭代推薦了風(fēng)扇抽風(fēng)和吹風(fēng)時的通風(fēng)率大小。

圖5 包括高防護等級風(fēng)扇罩的仿真模型

圖6 仿真模型溫度云圖

風(fēng)扇IP54抽風(fēng)IP54吹風(fēng)IP34抽風(fēng)IP34吹風(fēng)G1225Y0.250.270.450.60R1238H0.210.250.450.60AFB0.230.250.450.60

根據(jù)表1推薦的grille通風(fēng)率輸入值，將輸入值帶入到Icepak軟件中計算。圖7和圖8分別是IP54防護等級和IP34防護等級工況下G1225Y風(fēng)扇散熱仿真與實測對比。從圖7和圖8可以看出，仿真結(jié)果與實測結(jié)果非常接近，誤差小于5%，即驗證了本文推薦的高防護等級風(fēng)扇罩和風(fēng)扇一體化建模方案具有實際應(yīng)用價值。

圖7 IP54防護等級溫升仿真與實測對比(G1225Y)

圖8 IP34防護等級溫升仿真與實測對比(G1225Y)

圖9和圖10分別是IP54防護等級和IP34防護等級工況下R1238H風(fēng)扇散熱仿真與實測對比。

圖9 IP54防護等級溫升仿真與實測對比(R1238H)

圖11和圖12分別是IP54防護等級和IP34防護等級工況下AFB1224GHE-C風(fēng)扇散熱仿真與實測對比。該對比驗證了本文提出的仿真模型的準確性，即用給定風(fēng)扇罩通風(fēng)率和風(fēng)扇P-Q特性曲線代替單個風(fēng)扇罩的損失特性曲線，從而在風(fēng)扇罩損失特性曲線未知的情況下也可以完成散熱仿真設(shè)計，并且仿真精度較高，具有指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的價值。

圖11 IP54防護等級溫升仿真與實測對比(AFB1224GHE-C)

圖12 IP34防護等級溫升仿真與實測對比(AFB1224GHE-C)

3 結(jié)束語

隨著變頻器應(yīng)用范圍的逐漸擴大，高防護等級控制柜的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多。高防護等級控制柜要求具有防塵防水性能的同時又要散熱良好，高標準的要求給控制柜熱設(shè)計帶來很大困難。另外，作為達到高防護等級所必需的風(fēng)扇罩，其損失特性曲線一般無法獲得，這就要求在仿真建模時分別考慮風(fēng)扇和風(fēng)扇罩，如果風(fēng)扇罩的損失特性曲線不準確，將會影響仿真的準確度和精度，以至于影響整柜的散熱設(shè)計。

針對上述問題，本文提出了一種包含高防護等級風(fēng)扇罩的風(fēng)扇一體化建模方案。用給定風(fēng)扇罩的通風(fēng)率和風(fēng)扇的P-Q特性曲線代替單個風(fēng)扇罩的損失特性曲線，從而在風(fēng)扇罩損失特性曲線未知的情況下也可以完成散熱仿真設(shè)計，并且仿真和實測數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)。另外，風(fēng)扇罩為出風(fēng)口，即風(fēng)扇的工作方式為抽風(fēng)時，風(fēng)扇罩的存在對風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓影響均較大。

[1] 王丹, 毛承雄, 范澍, 等. 高壓變頻器散熱系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電力電子技術(shù), 2005, 39(2): 115-117.

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王 飛(1990-)，男，碩士，主要從事電力電子設(shè)備熱設(shè)計工作。

Research on Loss Characteristics of Fan Shrouds with Different Protection Level

WANG Fei，ZHANG Liu-jun，XU Pei-pei

(ShanghaiSTEPElectricCo.,Ltd.,Shanghai201801,China)

Through comparing experimental data and simulation data, a fan integrated modeling scheme including fan shrouds with different protection level is proposed in this paper. By replacing the loss characteristics curve of a single fan shroud with the ventilation rate of given fan shroud and the fan P-Q characteristics curve, thermal simulation design can also be completed without knowing the loss characteristics curve of fan shroud, and the error between simulation and test data is within 5%. When the fan shroud is at the outlet (fan works in exhaustion mode), the presence of fan shroud has larger influence on both fan air volume and pressure. The simulation and the results presented in this paper are expected to provide simulation method and reference data for the thermal design and thermal simulation of control cabinet with high protection level.

protection level; fan shroud; loss characteristics; thermal simulation

2016-07-21

國家科技支撐計劃資助項目(2014BAF08B05)

TK124

A

1008-5300(2016)05-0008-04