王冬雷

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司中央研究院，遼寧 沈陽 110169）

1 前言

安裝大量電子元器件的控制柜工作時會產(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)機器人控制柜內(nèi)的電機驅(qū)動器，核心控制器和開關(guān)電源等都會散發(fā)大量熱量，工作中接觸的大負載工業(yè)機器人，在滿負載全速運行的極限工況下，發(fā)熱量近千瓦，如果工業(yè)機器人控制柜的熱量得不到有效控制，會縮短電子元件的使用壽命，甚至?xí)斐晒I(yè)機器人運行中出現(xiàn)異常。同時，很多自動化設(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)通過安裝風扇給控制柜進行散熱的方式，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)，噴濺的水也容易進入控制柜內(nèi)，對控制柜電子元器件的壽命產(chǎn)生影響，甚至?xí)霈F(xiàn)短路損毀的風險。本文根據(jù)工業(yè)自動化設(shè)備控制柜的工作要求，對其熱交換器進行設(shè)計，實現(xiàn)了對控制柜的散熱，同時，還能實現(xiàn)對控制柜的內(nèi)部電子器件進行防塵防水的保護作用。

2 熱交換器工作原理

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

3 熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計

對熱交換器原理分析后，本文中熱交換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路為：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。

3.1 中心散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)有若干個導(dǎo)熱鰭片。散熱片上設(shè)有若干個導(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)和利用毛細作用流體原理傳遞熱量的傳熱元件。各導(dǎo)熱管分別同時穿過各所有導(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從導(dǎo)熱鰭片之間的間隙穿過，可充分實現(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械加工相結(jié)合的加工方式，優(yōu)點是可以保證散熱片具有很好的一體性和經(jīng)濟性，缺點是受限于鋁型材擠出模具的限制，導(dǎo)熱鰭片不能太薄，間距不能過小（通常厚度在1～2mm，間距在3～5mm），這樣在體積不變的情況下，導(dǎo)熱鰭片的數(shù)量會受到限制，散熱面積也就受到限制。同時，為了保證散熱片機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減少，對散熱效率會造成一定影響。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)理論對流換熱過程滿足方程論證：

式中，P為單位時間內(nèi)由散熱器傳遞到環(huán)境的熱量；α為對流換熱系數(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)點是導(dǎo)熱鰭片可以更薄，間距可以更?。ㄍǔ：穸仍?.5～1mm，間距在1.5～2mm），這樣導(dǎo)熱鰭片的數(shù)量就會大大增加，散熱面積隨之大幅增加。同時，因為加工和裝配方式的改變，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。缺點是需要焊接，加工工藝相對復(fù)雜，相對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

3.2 隔板和殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計

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，為了更好地控制內(nèi)循環(huán)氣流的流動方向，內(nèi)部空氣進氣口處還設(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)部空氣進氣口，內(nèi)部空氣換熱空間與內(nèi)部空氣進氣口及內(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，外部空氣進氣口和外部空氣出氣口周圍均粘貼有密封墊。外部空氣風扇安裝于外部空氣進氣口處，內(nèi)部空氣風扇安裝于內(nèi)部空氣進氣口處。為了防止控制柜內(nèi)電線吸入風扇內(nèi)，內(nèi)部空氣風扇頂部安裝有風扇防護網(wǎng)罩。風扇線纜穿過設(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

3.3 風扇的選型

控制柜散熱常用的強制風冷設(shè)備有軸流風扇和離心風機，軸流風扇是最常見的風扇類型，它的氣流方向與轉(zhuǎn)軸平行，離心風機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)特點選用的是軸流風扇。外部空氣風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等級的軸流風扇。工業(yè)用軸流風扇選型重點關(guān)注的參數(shù)還有風量和風壓。風量是單位時間內(nèi)風扇排出的空氣量，按每分鐘立方英尺來計算，單位就是CFM，如果按每分鐘立方米來算，單位就是m3/min。風壓即風扇出風口與入風口之間產(chǎn)生的壓強差，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?？刂乒竦耐庑纬叽缫汛_定，也就是內(nèi)部空間已被限定，同時控制柜內(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，根據(jù)內(nèi)部空間布局確定了需要3個外部空氣風扇和3個內(nèi)部空氣風扇，單個風扇的尺寸為60×60×25mm。而同尺寸軸流風扇由于電機和結(jié)構(gòu)的不同也會細分為不同風量和風壓的型號，在綜合考慮性能和經(jīng)濟性的前提下，初步選定了一款參數(shù)適中的軸流風扇，如表2所示。

表2 軸流風扇型號參數(shù)

3.4 風扇的安裝

風扇有并聯(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)安裝風量提升非常明顯，是所有風扇風量之和，但是不會增加最大風壓；串聯(lián)安裝會增加最大風壓，但是對風量提升不明顯，而且如果系統(tǒng)阻力不高時，風壓提升也不明顯。所以熱交換器的外部空氣風扇和內(nèi)部空氣風扇均采用并聯(lián)安裝方式。

圖5 風扇的并聯(lián)和串聯(lián)特性曲線

因為熱空氣往上飄也就是冷空氣比熱空氣沉，所以在下面的外部空氣進氣口和內(nèi)部空氣出氣口處的空氣可以認為是冷空氣，在上面的外部空氣出氣口和內(nèi)部空氣進氣口處的空氣可以認為是熱空氣。3個外部空氣風扇并聯(lián)安裝在外側(cè)下殼的外部空氣進氣口處，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個內(nèi)部空氣風扇并聯(lián)安裝在上擋板的內(nèi)部空氣進氣口處，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，殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計配合風扇的安裝位置，還可以實現(xiàn)通過拆除內(nèi)側(cè)上殼和內(nèi)側(cè)下殼就可以對內(nèi)部空氣風扇和外部空氣風扇進行安裝和后期維護的目的，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

3.5 選型風扇的流體仿真驗證

為了驗證選型風扇性能是否能滿足熱交換器的需求，本文使用Solidworks Flow Simulation對熱交換器進行了流體仿真驗證。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)機器人控制柜的測試數(shù)據(jù)和參數(shù)進行的設(shè)定。控制柜溫度測試表明當僅靠這款控制柜金屬柜體散熱，當溫度穩(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，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)部空氣風扇吸進熱交換器氣流，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)定的外部空氣風扇吸進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。同時如圖7所示，在仿真軟件里內(nèi)部，空氣風扇和外部空氣風扇的性能曲線是根據(jù)所選軸流風扇風壓和風量特性曲線設(shè)定的。

表3 軸流風扇流體仿真測試條件

圖7 根據(jù)選型風扇特性曲線在仿真軟件里設(shè)定的風扇性能曲線

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，確定其中對使用環(huán)境溫度要求比較嚴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)才能算通過驗證。如圖8和表4所示，通過對按仿真軟件要求的簡化模型進行流體仿真后，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

4 控制柜側(cè)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱交換器及濾塵棉的安裝

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入外部換熱空間，以免影響外部空氣風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)，這樣會影響控制柜的外觀，而且多為塑料殼體卡扣固定，風扇啟動后容易有噪音。為此本文熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計通過與控制柜結(jié)構(gòu)設(shè)計配合，實現(xiàn)了將熱交換器的濾塵棉內(nèi)置于控制柜中。

4.1 控制柜側(cè)面板結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱交換器的安裝

控制柜側(cè)面板在對應(yīng)熱交換器外部空氣進氣口處設(shè)置了濾芯槽，同時在濾芯槽和側(cè)面板對應(yīng)外部空氣進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)面板通風孔和濾芯槽通風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)定地從通風孔及外部空氣進氣口進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孔排出，如圖9所示。

圖9 熱交換器安裝在側(cè)面板上

4.2 濾塵棉的安裝

將濾塵棉放入濾塵棉固定架內(nèi)，濾塵棉固定架兩側(cè)安裝有松不脫手擰螺釘，濾芯槽兩側(cè)設(shè)有壓鉚螺母柱，手擰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)，同時濾芯棉固定架的頂面上和濾芯槽朝向外部空氣進氣口的側(cè)面上均開設(shè)有通風孔。通過濾芯槽、濾塵棉及濾塵棉固定架的配合設(shè)置，可對從濾芯槽進入外部空氣進氣口的外部空氣進行有效過濾，實現(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

5 熱交換器在控制柜里的工作過程

熱交換器在接到控制柜的供電和控制信號時，同時，使外部空氣進氣口處的外部空氣風扇及內(nèi)部空氣進氣口處的內(nèi)部空氣風扇運轉(zhuǎn)；外部空氣風扇運轉(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孔、濾塵棉、濾芯槽的通風孔、外側(cè)下殼的外部空氣進氣口、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)面板的通風孔排出；內(nèi)部空氣風扇運轉(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?，之后通過內(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，實現(xiàn)了對控制柜的散熱，同時，還能實現(xiàn)對控制柜的內(nèi)部電子元器件進行防塵防水的保護作用，如圖11所示。

6 結(jié)語

在對冷卻介質(zhì)為空氣的熱交換器工作原理進行分析的基礎(chǔ)上，提出了用于工業(yè)自動化設(shè)備控制柜的熱交換器結(jié)構(gòu)設(shè)計思路。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了2種中心散熱器。同時為了滿足熱交換器的生產(chǎn)裝配，對散熱片、隔板和殼體進行了詳細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是針對殼體設(shè)計了7個主要結(jié)構(gòu)零件，并對風扇進行了選型和流體仿真驗證。為熱交換器外部空氣進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，設(shè)計了濾塵棉固定架，并對控制柜側(cè)面板進行了協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計，協(xié)助控制柜在達到防護等級和散熱要求的同時更加美觀。