陳 偉，劉明星，王東偉，梁 建，劉美玲，李華橋

(1.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 610041；2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，西安 710049；3.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610041)

核電控制系統(tǒng)對整個(gè)核電廠的安全運(yùn)行至關(guān)重要，因此確保核電控制系統(tǒng)的穩(wěn)定對反應(yīng)堆的安全運(yùn)行意義重大。由于核電儀控系統(tǒng)中充滿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)生直接影響。著名的“10℃法則”表明：當(dāng)電子元器件工作環(huán)境溫度每提升10 ℃，將使該器件的可靠性下降60%[1]。且據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，約占55%的電子元器件的損壞或失效是由于電子元器件溫度過高引起的。因此，開展核電控制系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)方面的研究工作顯得尤為重要[2]。

目前，國內(nèi)外研究者對電子器件散熱設(shè)計(jì)與分析開展了大量的研究工作[3-10]。盧熾華等[3]從系統(tǒng)層面對燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明仿真分析在整車熱管理系統(tǒng)中具有較高的可信度。蘇建明等[4]從系統(tǒng)層面對通信機(jī)柜的散熱進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算結(jié)合仿真計(jì)算能夠有效降低設(shè)計(jì)成本。楊亞聯(lián)等[5]專門針對DC-DC和IPU兩個(gè)重要器件進(jìn)行的散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到DC-DC和IPU兩個(gè)元器件的最優(yōu)散熱結(jié)構(gòu)。林鑫等[6]專門針對IGBT的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了散熱效果最佳的IGBT散熱器針柱尺寸。

以上研究為實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的散熱仿真計(jì)算提供了重要的參考依據(jù)。但是，上述研究大多數(shù)是從系統(tǒng)級的層面出發(fā)，得到大系統(tǒng)中溫度分布和流道特征。亦或是針對某個(gè)功能模塊或電子器件進(jìn)行詳細(xì)建模分析，從而得到其溫度分布情況。前者得到的結(jié)果是宏觀上的溫度分布，缺乏對小系統(tǒng)中的器件的溫度分布和熱流行為的認(rèn)識。而后者通常無法準(zhǔn)確地獲得功能模塊或電子器件在整個(gè)大系統(tǒng)中的邊界環(huán)境條件。鑒于此，本研究從整個(gè)儀控用機(jī)柜系統(tǒng)出發(fā)并開展計(jì)算，逐一獲取各功能模塊或電子器件在整個(gè)機(jī)柜系統(tǒng)的周邊詳細(xì)的環(huán)境參數(shù)。進(jìn)一步地，將周邊環(huán)境參數(shù)代入功能模塊中進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，從而準(zhǔn)確獲取機(jī)柜系統(tǒng)中電子元器件上的具體溫度。通過該方式能夠在使用最少計(jì)算資源的前提下最快獲取器件溫度，同時(shí)使用該計(jì)算方式得到的器件溫度將會更加接近實(shí)際工況中器件在系統(tǒng)中工作時(shí)的溫度，相關(guān)分析結(jié)果能夠更快速、準(zhǔn)確地為整個(gè)系統(tǒng)和功能模塊的散熱設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐和優(yōu)化建議。

基于以上，本研究主要從提高核電控制系統(tǒng)散熱可靠性的角度出發(fā)，對核電控制系統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。同時(shí)，基于設(shè)計(jì)模型，獲取功能模塊在機(jī)柜系統(tǒng)中工作時(shí)的周邊環(huán)境參數(shù)，再詳細(xì)建模獲取單個(gè)器件的溫度情況，并對器件的溫度值校核，判斷器件是否滿足其工作溫度要求?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，本研究加工出設(shè)備樣機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，并對樣機(jī)的功能、性能進(jìn)行測試，判斷樣機(jī)的功能、性能是否正常。最后，結(jié)合數(shù)值分析和試驗(yàn)分析方法，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。以上研究成果為核電儀控系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 核電控制系統(tǒng)機(jī)柜模型與散熱仿真分析

1.1 核電控制系統(tǒng)機(jī)柜風(fēng)道布置

在核電控制系統(tǒng)中常用到標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜放置控制系統(tǒng)中的各類模塊，不同控制系統(tǒng)機(jī)柜主要有圖1(a)所示的“下進(jìn)上出”和圖1(b)所示的“前進(jìn)后出”2種風(fēng)道設(shè)計(jì)方式。本研究運(yùn)用最為廣泛的“前進(jìn)后出”式的散熱方式。該散熱方式主要是利用從機(jī)柜前門進(jìn)入的冷空氣對機(jī)柜內(nèi)部布置的各層功能機(jī)箱內(nèi)的功能插件進(jìn)行冷卻降溫，通過機(jī)柜上方的導(dǎo)流板將熱氣流排入機(jī)柜后部，最終通過機(jī)柜后門上的散熱風(fēng)扇將柜內(nèi)熱量排出。本研究所涉及的機(jī)柜系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖1 常見散熱方式示意圖

圖2 機(jī)柜系統(tǒng)模型示意圖

1.2 核電控制系統(tǒng)機(jī)柜散熱仿真計(jì)算模型

本研究中，機(jī)柜的尺寸為800 mm×600 mm×1 800 mm，機(jī)柜內(nèi)部按照極限配置7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高度為3U(1U=44.45 mm)的19英寸機(jī)箱，機(jī)柜中選取A和B兩種常用功能機(jī)箱進(jìn)行分析，每個(gè)機(jī)箱有14個(gè)安裝槽位，7個(gè)機(jī)箱中有1個(gè)A型機(jī)箱(位于頂層)，6個(gè)B型機(jī)箱，2種機(jī)箱的配置情況和功耗如表1所示，機(jī)箱之間放置1U導(dǎo)流板，其余空間放置電氣附件，機(jī)柜前后空間采用擋板隔離，機(jī)柜前門上開通風(fēng)孔，后門上安裝散熱風(fēng)扇。整個(gè)機(jī)柜中的發(fā)熱源主要為各機(jī)箱中的功能插件上的器件。

表1 機(jī)箱配置情況和功耗

插件的模型采用精細(xì)化建模，如圖3所示，圖3(a)為功能插件的模型，圖3(b)為放置了簡化后的功能插件的機(jī)箱模型，圖3(c)為放置了功能機(jī)箱之后的散熱機(jī)柜模型(柜體用隱藏線框表示)。該模型中主要包括發(fā)熱器件的外形尺寸、在PCB上的相對位置、插件面板，器件的封裝材質(zhì)包括陶瓷、塑料和金屬3種封裝材質(zhì)，器件的散熱功耗等基本信息。主要材質(zhì)的散熱性能參數(shù)設(shè)置如表2所示。機(jī)柜的模型主要由機(jī)柜柜體以及機(jī)柜內(nèi)部的機(jī)箱和導(dǎo)流板構(gòu)成，其中機(jī)柜前門上開有通風(fēng)孔，空柜后門安裝散熱風(fēng)扇，機(jī)柜的前端與后端通過擋板進(jìn)行隔離，簡化對散熱影響很小的柜內(nèi)電氣附件結(jié)構(gòu)，使用擋板隔離機(jī)柜前后端。

圖3 插件、機(jī)箱和機(jī)柜的散熱模型示意圖

表2 主要物項(xiàng)熱性能參數(shù)

機(jī)箱的散熱模型主要由簡化后的插件和機(jī)箱外殼組成，機(jī)箱的上下蓋板開通風(fēng)孔，通風(fēng)孔為直徑3.5 mm的圓孔，陣列距離5.5 mm。根據(jù)能量守恒定律，按照實(shí)際模型的尺寸進(jìn)行插件的模型建立，并使用高級阻尼模型進(jìn)行簡化，高級阻尼模型參數(shù)通過風(fēng)洞數(shù)值模擬獲取。建立一個(gè)截面尺寸與插件迎風(fēng)面截面相同的風(fēng)洞，在風(fēng)洞的入口添加氣流，在入口和出口處分別設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，監(jiān)測進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的壓力情況，不同流速下系統(tǒng)壓力損失如表3所示。根據(jù)壓力損失情況建立高級阻尼模型。

表3 流速與壓力損失

2 仿真計(jì)算

2.1 算法介紹

根據(jù)系統(tǒng)傳熱學(xué)相關(guān)理論，傳熱的基本公式可表示為：

Ф=KAΔt

(1)

式中：Ф為總的傳熱量(W)；K為總的傳熱系數(shù)(W/(m2·℃))；A為傳熱面積(m2)；Δt為熱流體與冷流體之間的溫差(℃)。

本次計(jì)算過程中涉及的傳熱方式包括導(dǎo)熱、對流換熱以及輻射散熱，其中通過導(dǎo)熱部分進(jìn)行的熱量傳遞Ф1可表示為：

(2)

本次算例中涉及的主要傳熱方式為對流傳熱，通過對流方式傳遞的熱量Ф2可表示為：

Ф2=hcA(Tω-Tξ)

(3)

式中：Ф2為通過對流方式傳遞的熱量(W)；hc為對流換熱系數(shù)(W/(m2·℃))，該參數(shù)主要由冷卻流體的物理特性決定；A為對流換熱面積(m2)；Tω為熱源表面溫度(℃)；Tξ為冷卻流體的溫度(℃)；

本算例中傳導(dǎo)和對流是最主要的2種傳熱方式，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，本算例還考慮了輻射散熱的熱量傳遞，本算例中通過輻射方式傳遞的熱量Ф3表示為：

Ф3=εAσ0T4

(4)

式中：Ф3為通過輻射傳遞的熱量(W)；ε為物體的表面黑度，該參數(shù)主要取決于物體表面的顏色，粗糙度及表面處理方式；σ0為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W/(m2·k4))；A為輻射面積(m2)；T為物體表面的熱力學(xué)溫度(K)。

因此，本算例中的總熱量的傳遞Ф可以表示為：

Ф=Ф1+Ф2+Ф3

(5)

即：

(6)

本次計(jì)算采用的Flotherm軟件是基于有限元的分析方法，將整個(gè)模型從空間上劃分成若干網(wǎng)格，對網(wǎng)格中涉及到的熱傳遞方式進(jìn)行逐一分析傳遞求解，最終得到整個(gè)系統(tǒng)中的溫度和熱量分布信息。

2.2 基于機(jī)柜系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果分析

對機(jī)柜系統(tǒng)的計(jì)算進(jìn)行分析，以獲得插件系統(tǒng)的溫度、氣流等分布情況。圖4所示為機(jī)柜系統(tǒng)中各功能機(jī)箱的溫度分布云圖。由結(jié)果可知：機(jī)箱表面的最高溫度為43.1 ℃，機(jī)箱溫度向上依次遞減，最頂層機(jī)箱的溫度為30.5 ℃，這是由于氣流的向上流動帶走了機(jī)箱部分熱量，因此頂部機(jī)箱溫度下降，如圖4(a)所示。由圖4(b)可見：機(jī)柜內(nèi)部的氣流穩(wěn)定，并無局部渦流產(chǎn)生，氣流能夠順利通過機(jī)箱內(nèi)部，對機(jī)箱內(nèi)部的器件進(jìn)行降溫。通過圖4(c)的溫度截面圖可見：冷氣流能順利將熱量排出機(jī)箱外，進(jìn)而通過機(jī)柜后端的風(fēng)扇將熱量排出柜外。

圖4 溫度分布云圖

基于上述分析，本研究主要對主控模塊插件的溫度分布進(jìn)行提取分析。選取該主控模塊插件作為典型代表的原因是：主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞，在系統(tǒng)中主要執(zhí)行各系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的分析及對比，必要時(shí)可以對系統(tǒng)運(yùn)行和停止進(jìn)行操作，因此對該模塊在整個(gè)系統(tǒng)中的可靠性要求非常高。表4所示為該功能模塊上器件的溫度分布狀態(tài)，包括溫度、氣壓、熱流密度、質(zhì)量等。

表4 主控模塊相關(guān)熱學(xué)參數(shù)

進(jìn)一步地，在邊界內(nèi)建立該模塊插件的詳細(xì)模型，通過計(jì)算得到的該插件上的溫度如表5所示，插件上的器件溫度分布如圖5所示。通過表5可知：溫度最高的器件位號為U8，該器件為電源管理芯片，其溫度為77.16 ℃。該芯片周圍器件溫度均較高，出現(xiàn)了熱量集中。進(jìn)一步分析可知：其周邊器件的功耗均相對較高，通過熱擴(kuò)散的效應(yīng)導(dǎo)致該芯片溫度急劇上升，形成熱量集中區(qū)域。盡管該芯片的高溫不影響該插件的性能，但在后續(xù)可以考慮將這幾個(gè)發(fā)熱器件分開布置。PCB四周的溫度相對較低，主要是由于插件的前端為操作和觀測區(qū)域，后端為連接器，這2個(gè)區(qū)域均無發(fā)熱，因此溫度較低。

圖5 插件器件溫度云圖

表5 25 ℃環(huán)境條件下器件溫度值

2.3 器件安全性分析

核電控制機(jī)柜通常情況下是在電氣廠房中運(yùn)行，運(yùn)行的溫度為25 ℃左右。但是在事故狀態(tài)下電氣廠房可能出現(xiàn)失電或通風(fēng)系統(tǒng)不可用的狀態(tài)，此時(shí)，電氣廠房的溫度達(dá)55 ℃左右。因此，出于安全性考慮，有必要對事故工況進(jìn)行分析，并與器件的允許工作溫度進(jìn)行對比，從而保證器件的可靠性。基于最嚴(yán)苛的配置情況模型，在55 ℃的環(huán)境條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的主控模塊上的器件溫度如表6所示。

表6 55 ℃環(huán)境條件下器件溫度

以器件允許最高工作溫度為指標(biāo)設(shè)立安全溫度，通過圖6可知：所有器件的溫度均在安全溫度以內(nèi)，且在25 ℃環(huán)境條件下還有相當(dāng)大的裕量能夠有效保證器件的可靠性，進(jìn)而使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性得到保證。

圖6 主控模塊器件溫度

3 樣機(jī)溫度實(shí)測分析

3.1 測試方法及設(shè)備

在完成樣機(jī)加工后，按照正常配置對機(jī)柜進(jìn)行功能配置，標(biāo)準(zhǔn)配置如圖7所示。該柜內(nèi)一共配置了5個(gè)功能機(jī)箱，機(jī)柜前后使用擋板進(jìn)行隔離，將樣機(jī)上電后置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行長期穩(wěn)定性試驗(yàn)，并對內(nèi)部的主要芯片進(jìn)行溫度測試，其接線示意圖如圖8所示。試驗(yàn)環(huán)境溫度控制為25 ℃，熱電阻溫度傳感器貼于主要發(fā)熱器件上，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集對測試點(diǎn)的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔10 s采集一次數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，從機(jī)柜開始運(yùn)行至器件溫度穩(wěn)定大約用時(shí)1.5 h。

圖7 機(jī)柜內(nèi)部配置圖(開門狀態(tài))

圖8 接線示意圖

3.2 測試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果對比

通過1.5 h的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過整理得到主要監(jiān)控點(diǎn)穩(wěn)定后的溫度如表7所示。實(shí)際測試的環(huán)境溫度25 ℃的結(jié)果與模擬計(jì)算得到的環(huán)境溫度25 ℃的結(jié)果如圖9所示。經(jīng)過對比可見，大部分器件的計(jì)算值比測試值略微偏高，偏差值如圖10所示。

表7 實(shí)測主要器件溫度值

圖9 實(shí)測溫度與計(jì)算溫度

圖10 偏差值直方圖

根據(jù)偏差度可見：大部分計(jì)算值與實(shí)測值的溫差在4～6 ℃上下。出現(xiàn)該情況主要是由于仿真計(jì)算考慮的是機(jī)柜的極端配置，該配置比機(jī)柜的實(shí)際配置要多，散熱功耗要大，因此計(jì)算溫度比實(shí)測溫度略高，可以確定仿真計(jì)算模型可信。由于事故工況與正常工況下，控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)不會有任何差別，區(qū)別僅在于環(huán)境溫度不同，因此在55 ℃環(huán)境條件下的仿真計(jì)算結(jié)果也接近實(shí)際值，計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的參考意義。

4 結(jié)論

1) 整個(gè)機(jī)柜的溫度分布從下到上逐漸降低，這主要是由于上層機(jī)箱距離機(jī)柜出風(fēng)口較近，風(fēng)壓相對較低，導(dǎo)致上層溫度相對較低；

2) 通過對比發(fā)現(xiàn)部分器件的溫度接近其允許溫度的最大值，因此在散熱設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該統(tǒng)籌考慮各類器件的分布情況；

3) 試驗(yàn)結(jié)果與模擬分析結(jié)果相吻合，機(jī)柜在室溫下能夠保持長期穩(wěn)定運(yùn)行，且監(jiān)控點(diǎn)溫度均在器件的允許工作溫度范圍以內(nèi)，表明能夠保證機(jī)柜正常運(yùn)行的可靠性；

4) 通過模擬計(jì)算結(jié)果可見：無論是在正常工作溫度還是在事故工況溫度條件下，機(jī)柜內(nèi)的功能插件上器件的溫度均低于其允許工作溫度，因此整個(gè)機(jī)柜系統(tǒng)在正常工況和事故工況下均能正常工作；

5) 本文通過高級阻尼模型獲取目標(biāo)功能插件的周邊環(huán)境參數(shù)，使功能插件上的器件溫度能夠得到精確計(jì)算，該計(jì)算方式能夠準(zhǔn)確獲取在機(jī)柜系統(tǒng)內(nèi)工作情況條件下任意器件的準(zhǔn)確工作溫度，提高了熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性；

6) 本研究主要針對機(jī)箱中功能插件外形尺寸較統(tǒng)一且能夠有效通風(fēng)的板卡或鏤空式插件。該設(shè)計(jì)與分析流程和結(jié)果可以為該類型的核電控制設(shè)備機(jī)柜提供參考。