基于正交试验的控制柜热设计研究

左晓刚,崔国民,王金阳

(上海理工大学 新能源科学与工程研究所,上海　200093)



基于正交试验的控制柜热设计研究

左晓刚,崔国民,王金阳

(上海理工大学 新能源科学与工程研究所,上海200093)

摘要在已有机柜散热方式的基础上,采用整体区域的平均温度作为环境温度的近似,借助L64(98)正交表分析控制柜关键因素位置对其平均温度的影响。结果表明,左侧入风口和电子元件a1对平均温度的影响最大。极差分析优组合与原始布局相比平均温度下降了1.38 ℃,通过优化关键因素位置,控制柜可靠性得到了提高,为机柜系统热设计提供一定参考。

关键词控制柜;正交试验;平均温度;热设计

随着电子元件集成化程度越来越高,其体积越来越小,这使得单位体积的电子元件功率不断增大,热流密度急剧上升导致元件温度升高,随着温度的增加电子元件失效率呈指数增长[1]。资料表明,单个半导体元件的温度升高10 ℃,一些电子系统的可靠性甚至降低50%[2]。另据资料表明,55%的电子设备失效是由温度过高引起的[3]。电子设备在运行过程中,功率损失导致元件温度不断上升,同时电子设备周围的环境温度也会影响设备内部温度,元件在环境温度每升高10 ℃时其失效率将增大一倍以上,被称为10 ℃法则[1]。因此,电子设备周围环境温度的降低,对于保证电子元件正常工作具有重要意义。

机柜作为电子元件的一种放置形式,国内外学者对其散热问题进行了大量的工作研究,取得了一定的研究进展。一些学者考虑对关键元件进行降温,改进翅片形式[4-5]、热管[6]等,对于机柜整体散热考虑增加通风孔[7]、开发散热系统[8]。而电子元件位置优化多见于印制电路板上,如根据实际经验[9]、优化算法[10-11]等。综合以上可知,电子元件降温主要考虑了降低电路板的热点温度及关键元件温度,但是这些方法都有一定的局限性。某些情况下关键元件的降温是以其他元件温度升高为代价的,存在多个高温元件其矛盾更为凸显,而前人所提出的关键元件降温方法及机柜整体降温方法均在一定程度上增加工业成本,其能否用于实际工业则是一个问题。

因此本文在基本不增加工业成本基础上考虑某企业船用锅炉控制柜内关键元件位置优化,控制柜内环境温度的降低对内部元件的可靠性增加有着极大的提升,因而采用整体区域的平均温度作为环境温度的近似,将控制柜整体区域的平均温度作为优化目标,利用数值模拟软件建立控制柜的有限元模型,以L64(98)型正交表综合考虑关键元件的最佳位置,对结果进行极差分析,确定各因素最优位置以及影响规律。

1模型建立

1.1物理模型

控制柜内布置了大量的电子元件如继电器、变压器、控制仪等,同时内部线路连接复杂。为了实现对控制柜的传热数值模拟,对控制柜内模型简化处理,作为系统级热分析本文简化电子元件外形并将电线发热量与元件整合,将元件视为单一材料的实体,其主要电子元件发热量如表1所示。控制柜几何尺寸长宽高1 100 mm×390 mm×1 400 mm,壁面设置有入风口(inlet-left、inlet-right)和出风口(outlet-left、outlet-right),关键电子元件及通风口位置如图1所示。

表1　电子元件名称与发热量

1.2数值模拟模型

控制柜采用强迫对流对内部电子元件进行冷却散热,入风口风速取为3 m/s,出风口为标准大气压,环境温度设置为30 ℃,不考虑时间项即为稳态传热过程。计算软件为Ansys软件的Icepak模块,控制方程采用有限体积法离散,应用Simple法处理压力速度耦合,对流项采用一阶迎风格式离散,扩散项采用中心差分格式,湍流模型采用k-ε双方程模型。根据文献[12],电子元件的内部温度及外表面温度一般均不超过150 ℃,而环境温度一般为20～40 ℃。因此,控制柜模型不考虑辐射换热的影响,其平均温度是内部环境区域的网格节点温度平均值,其节点数约为60 000。

图1　控制柜立体图

2控制柜关键因素结果与分析

2.1试验因素和试验方案的确定

正交试验设计方法采用数理统计和正交原理,应用正交表合理安排试验。采用正交试验可以大幅度地减少试验次数,以较小的试验数据规模得到有效的结论。

控制柜初始布局下的平均温度为33.46 ℃。根据控制柜电子元件发热量和实际工程应用,选择电子元件a1、TF、a91、a12及入风口inlet-left、inlet-right和出风口outlet-left、outlet-right共8个变量作为正交试验的关键因素,试验水平选为8。选取因素原始设计尺寸作为基本尺寸,将因素的最大最小值作为尺寸变化范围,综合考虑水平数和尺寸变化幅度选择各因素的水平值。根据统计分析软件SPSS生成正交表,不考虑因素之间的交互作用并设置空列,采用L64(98)型正交表,其因素水平值如表2所示。

表2　正交试验设计因素水平

根据正交表生成的64种设计变量组合得到的平均温度值引用自文献[13],其结果如表3所示。

2.2结果分析

根据数理统计方法对表3进行极差分析,计算结果如表4所示,极差大小顺序为e>a>c>f>g>D>b>h,即左侧入风口对平均温度的影响最大,其次是电子元件a1。TF和右侧出风口对平均温度影响最小,其原因在于TF产生的大部分热量沿导热板散失,右侧出风口位置附近的风速变化较小。

根据极差分析结果得到最佳组合a1(0)、TF(0.2)、a91(-0.6)、a12(-0.05)、inlet-left(0.18)、inlet-right(0.18)、outlet-left(0)、outlet-right(-0.12)并模拟计算得到平均温度32.08 ℃,与正交试验结果的最低平均温度相比降低了0.28 ℃,最高平均温度降低了2.44 ℃,与初始布局的平均温度相比降低了1.38 ℃,说明所选方法对平均温度的降低是有效的。

表3　模拟结果

图2显示了初始及优化后的元件温度分布与速度等高线图。由图2可知,控制柜最高温度降低了1.42 ℃,入风口位置下移使得速度死区基本消失,说明经过对关键因素的位置优化控制柜热点温度得到了降低,空气流经了更多的内部区域,其整体散热得到了一定程度的改善。

表4　极差分析

图2　温度分布与速度等高线图对比图

从图3可见,随着水平数不断增加即各因素位置从最小值到最大值变化过程中,元件位置变化使平均温度不断波动,其最佳位置在最低平均温度处取得,而通风口位置变化使平均温度总体呈现不断增大或减小的趋势,其最佳位置在边界处或最低点取得,说明多水平的正交试验对元件和通风口均可精确的得到其最佳位置。

综合以上分析可知在控制柜正交试验中,本文以平均温度降低作为控制柜散热改善的目标,选择改变左侧入风口、a1、a91、右侧入风口、左侧出风口和a12的位置参数,采用八水平试验得到因素最佳位置并确定其影响规律。

图3　关键因素与平均温度关系图

3结束语

通过对控制柜的正交试验,改变关键因素位置,借助统计分析软件生成的正交表对控制柜进行了数值模拟,得到结论:(1)控制柜平均温度的极差分析结果表明,左侧入风口对平均温度的影响最大,其次是电子元件a1,影响最小的是TF和右侧出风口。极差分析的优组合得到的平均温度32.08 ℃与初始布局及正交试验结果的平均温度相比是下降的,说明所选方法是有效的。元件和通风口位置变化与文献[13]采用方法相比更为简洁高效得到最佳位置;(2)控制柜采用L64(98)的正交表进行仿真模拟,采用整体区域的平均温度作为环境温度的近似,以整体区域的平均温度作为优化目标描述控制柜散热情况并得出最佳位置,为今后控制柜热设计提供了参考。

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Thermal Design of Control Cabinet Based on Orthogonal Experiment

ZUO Xiaogang,CUI Guomin,WANG Jinyang

(Research Institute of New Energy Science and Technology,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractControl cabinet is the geometry space of all kinds of equipment to store and manage data.With the high performance,miniaturization and integration of electronic equipment trends,the cooling capacity of control cabinet affects the performance and service life of the electronic components.On the other hand it is very important to the stability of the system.Based on the review of current research on the cooling of control cabinet,the average temperature of the whole volume is the approximation of the environment temperature.The L64(98) orthogonal table is used to analyze the impact of important factors on its average temperature.The results show that inlet-left and electronic component a1 has the greatest impact on the average temperature.The average temperature obtained from the optimal combination of the range analysis is1.38 ℃ lower than that from the initial layout.The reliability of the control cabinet is improved by optimizing the layout of electronic components,which provides references for cabinet system thermal design.

Keywordscontrol cabinet;orthogonal experiment;average temperature;thermal design

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.006

收稿日期:2015-11-07

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176125);沪江基金资助项目(D14001)

作者简介:左晓刚(1990—),男,硕士研究生。研究方向:强化传热及高效换热器。

中图分类号TN707;TP391.9

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-019-04