內置于控制柜的熱交換器結構設計與分析

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生大量熱量。隨著溫度的升高，熱量增長的效率呈指數增長，一些電子器件隨著環境溫度每增加10℃，故障率就提高1倍左右。例如，工業機器人控制柜內的電機驅動器，核心控制器和開關電源等都會散發大量熱量，工作中接觸的大負載工業機器人，在滿負載全速運行的極限工況下，發熱量近千瓦，如果工業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，甚至會造成工業機器人運行中出現異常。同時，很多自動化設備控制柜所處的工業環境較為惡劣，布滿灰塵、微粒和水等。常規通過安裝風扇給控制柜進行散熱的方式，在惡劣的環境中，極有可能將灰塵甚至是金屬微粒帶入控制柜內，噴濺的水也容易進入控制柜內，對控制柜電子元器件的壽命產生影響，甚至會出現短路損毀的風險。本文根據工業自動化設備控制柜的工作要求，對其熱交換器進行設計，實現了對控制柜的散熱，同時，還能實現對控制柜的內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，一般可以分為空氣/空氣熱交換器（冷卻介質為空氣）、空氣/水熱交換器（冷卻介質為水）。冷卻介質為空氣的熱交換器和冷卻介質為水的熱交換器相比，不用考慮水源的問題，更適合工業自動化設備的控制柜。如圖1所示，本文中冷卻介質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部空氣換熱空間，形成空氣的外循環和內循環，外部空氣將內部空氣的熱量帶出控制柜。同時可以有效地阻止外部環境中的灰塵、微粒和水等物質進入控制柜中，避免控制柜內部的電子元器件遭受損害。

圖1 冷卻介質為空氣的熱交換器工作原理

3 熱交換器結構設計

對熱交換器原理分析后，本文中熱交換器的結構設計思路為：通過中心散熱器和隔板將熱交換器殼體的內腔分隔成互不相連通的外部空氣換熱空間與內部空氣換熱空間，使控制柜的內部空氣不斷地經過殼體的內部空氣換熱空間，控制柜的外部空氣不斷地經過殼體外部空氣換熱空間。

3.1 中心散熱器結構設計

中心散熱器是熱交換器的核心散熱裝置，由散熱片和導熱管組成。散熱片中間設有散熱塊，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部空氣換熱空間中，并位于內部空氣進氣口與內部空氣出氣口之間的位置，散熱塊上向對應的外部空氣換熱空間和內部空氣換熱空間中分別延伸設有若干個導熱鰭片。散熱片上設有若干個導熱管，導熱管是通過在全封閉真空管內液體的蒸發與凝結和利用毛細作用流體原理傳遞熱量的傳熱元件。各導熱管分別同時穿過各所有導熱鰭片，各導熱鰭片上開設有用于固定導熱管的U形槽，各導熱鰭片的長度方向均垂直于水平面，各導熱管整體均呈U形且長度方向均平行于水平面，保證導熱均勻，如圖2所示。通過導熱管以及具有導熱鰭片的散熱塊的配合設置，流經外部空氣換熱空間與內部空氣換熱空間的空氣分別會從導熱鰭片之間的間隙穿過，可充分實現外部空氣換熱空間與內部空氣換熱空間之間的熱量交換，實現散熱效果。

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合的加工方式，優點是可以保證散熱片具有很好的一體性和經濟性，缺點是受限于鋁型材擠出模具的限制，導熱鰭片不能太薄，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，導熱鰭片的數量會受到限制，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熱管的裝配，導熱鰭片上開設的是U型槽而不是圓孔，這樣導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熱管構成的中心散熱器是用于一款發熱量在190W左右的小功率工業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，這可以通過傳熱學理論對流換熱過程滿足方程論證：

式中，P為單位時間內由散熱器傳遞到環境的熱量；α為對流換熱系數；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熱鰭片，這種散熱片的導熱鰭片是通過沖壓模具加工，然后一片一片插入導熱管堆疊在一起，最后與導熱管和散熱塊焊接在一起，優點是導熱鰭片可以更薄，間距可以更小（通常厚度在0.5～1mm，間距在1.5～2mm），這樣導熱鰭片的數量就會大大增加，散熱面積隨之大幅增加。同時，因為加工和裝配方式的改變，導熱鰭片與導熱管的插接孔可以加工成圓孔，這樣與導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熱系數更高且成本在可接受范圍內的銅材料，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，加工工藝相對復雜，相對鋁型材散熱片成本高。

表1 常用金屬導熱系數

圖3 帶有插片式散熱鰭片的中心散熱器

3.2 隔板和殼體結構設計

隔板分為上隔板和下隔板分別與散熱器上的導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：外側上殼、外側下殼、上擋板、下擋板、內側上殼、內側中殼和內側下殼。同時，為了更好地控制內循環氣流的流動方向，內部空氣進氣口處還設有導流罩；為了與控制柜裝配，在熱交換器兩側還設有安裝支架。外側下殼設有外部空氣進氣口，外側上殼設有外部空氣出氣口，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。內側中殼設有內部空氣出氣口，上擋板設有內部空氣進氣口，內部空氣換熱空間與內部空氣進氣口及內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，內部空氣風扇安裝于內部空氣進氣口處。為了防止控制柜內電線吸入風扇內，內部空氣風扇頂部安裝有風扇防護網罩。風扇線纜穿過設在外側上殼和外側下殼側面上的線纜防水接頭與控制柜內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，它的氣流方向與轉軸平行，離心風機的氣流流出方向與轉軸垂直。根據本文中熱交換器的結構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、微粒和水等物質接觸，所以需要選擇較高防護等級的軸流風扇。工業用軸流風扇選型重點關注的參數還有風量和風壓。風量是單位時間內風扇排出的空氣量，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品部門經過調研市場眾多競品控制柜后確定的新產品。控制柜的外形尺寸已確定，也就是內部空間已被限定，同時控制柜內的電氣設備也需要安裝空間，最后根據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構設計，根據內部空間布局確定了需要3個外部空氣風扇和3個內部空氣風扇，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構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濟性的前提下，初步選定了一款參數適中的軸流風扇，如表2所示。

表2 軸流風扇型號參數

3.4 風扇的安裝

風扇有并聯和串聯的安裝方式。如圖5所示，在系統阻力適中的情況下，并聯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部空氣風扇均采用并聯安裝方式。

圖5 風扇的并聯和串聯特性曲線

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安裝在外側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個內部空氣風扇并聯安裝在上擋板的內部空氣進氣口處，可以更好地將控制柜內頂部的熱空氣抽入熱交換器的內部空氣換熱空間。同時，殼體的結構設計配合風扇的安裝位置，還可以實現通過拆除內側上殼和內側下殼就可以對內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 拆除了內側上殼和內側下殼的熱交換器

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。流體仿真設定的測試條件是根據使用本文熱交換器的小功率工業機器人控制柜的測試數據和參數進行的設定。控制柜溫度測試表明當僅靠這款控制柜金屬柜體散熱，當溫度穩定后內部溫度比使用環境溫度升高約13℃，為了留些余量設定溫升為15℃；同時，控制柜的使用環境溫度最高參數為40℃，所以流體仿真設定的內部空氣風扇吸進熱交換器氣流，也就是控制柜內部的氣流溫度為最高環境溫度40℃加上溫升15℃得到的55℃；流體仿真設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，在仿真軟件里內部，空氣風扇和外部空氣風扇的性能曲線是根據所選軸流風扇風壓和風量特性曲線設定的。

表3 軸流風扇流體仿真測試條件

圖7 根據選型風扇特性曲線在仿真軟件里設定的風扇性能曲線

通過查閱控制柜內部電子元器件的使用環境溫度要求，確定其中對使用環境溫度要求比較嚴苛的電子元器件的最高使用溫度，也就是控制柜內部最高溫度不宜超過50℃，所以熱交換器內部空氣出氣口氣流溫度要控制在50℃以內才能算通過驗證。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，結果表明，內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的空氣在溫度40℃使用環境中冷卻到50℃以內，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果氣流溫度數據

圖8 熱交換器流體仿真結果

4 控制柜側面板結構設計與熱交換器及濾塵棉的安裝

熱交換器安裝在控制柜側面板內側，如工作環境較為惡劣，需要在控制柜側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，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構設計通過與控制柜結構設計配合，實現了將熱交換器的濾塵棉內置于控制柜中。

4.1 控制柜側面板結構設計與熱交換器的安裝

控制柜側面板在對應熱交換器外部空氣進氣口處設置了濾芯槽，同時在濾芯槽和側面板對應外部空氣進氣口和外部空氣出氣口處密封墊內的位置設置了通風孔。熱交換器朝向控制柜側面板濾芯槽的外側下殼要比外側上殼低，這樣控制柜側面板的濾芯槽就內置于由熱交換器外側下殼、外側上殼和兩側的安裝支架形成的凹槽里。

熱交換器通過兩側的安裝支架安裝到控制柜側面板上，側面板的濾芯槽朝向外部空氣進氣口的側面與熱交換器外側下殼上設置的外部空氣進氣口處的外表面之間擠壓有密封墊；控制柜側面板上設置通風孔處周圍的內表面與熱交換器外側上殼上設置外部空氣出氣口處的外表面之間也設有密封墊，這樣就可以將控制柜側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范圍內，使外部空氣穩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 熱交換器安裝在側面板上

4.2 濾塵棉的安裝

將濾塵棉放入濾塵棉固定架內，濾塵棉固定架兩側安裝有松不脫手擰螺釘，濾芯槽兩側設有壓鉚螺母柱，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面板的濾芯槽內，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面上均開設有通風孔。通過濾芯槽、濾塵棉及濾塵棉固定架的配合設置，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，實現防塵的作用。安裝后，濾塵棉固定架的頂面與控制柜側面板外表面相平齊，也就使得濾芯棉內置于控制柜里，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部空氣進氣口處的內部空氣風扇運轉；外部空氣風扇運轉后，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熱鰭片和導熱管，經過熱交換變為熱空氣，之后通過外側上殼的外部空氣出氣口和控制柜側面板的通風孔排出；內部空氣風扇運轉后，控制柜內部的溫度較高的內部空氣先后通過上擋板的內部空氣進氣口、內部空氣換熱空間中的散熱塊的導熱鰭片和導熱管，經過熱交換變為冷空氣，之后通過內側中殼的內部空氣出氣口排入控制柜內部；就這樣控制柜的內部空氣不斷地經過熱交換器的內部空氣換熱空間，控制柜的外部空氣不斷地經過熱交換器的外部空氣換熱空間，外部空氣將內部空氣的熱量不斷地帶出控制柜，實現了對控制柜的散熱，同時，還能實現對控制柜的內部電子元器件進行防塵防水的保護作用，如圖11所示。

6 結語

在對冷卻介質為空氣的熱交換器工作原理進行分析的基礎上，提出了用于工業自動化設備控制柜的熱交換器結構設計思路。在此基礎上，設計了2種中心散熱器。同時為了滿足熱交換器的生產裝配，對散熱片、隔板和殼體進行了詳細的結構設計，尤其是針對殼體設計了7個主要結構零件，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，為了濾塵棉能夠內置于控制柜和方便后期維護，設計了濾塵棉固定架，并對控制柜側面板進行了協同結構設計，協助控制柜在達到防護等級和散熱要求的同時更加美觀。