陈伟;刘明星;吴霄
【摘 要】机柜热设计是整个机柜设计中的重要组成部分,合理的热设计方法能够减少设计过程中的重复校核工作,准确出设计中的薄弱或者不合理的环节并及时进行设计修改.该文将传统的理论计算方法与最新的仿真计算方法相结合,介绍了机柜的整套热设计方法.工程实践表明该设计方法合理有效.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)012
【总页数】5页(P76-80)
【关键词】安全级DCS;机柜散热设计;仿真计算
【作 者】陈伟;刘明星;吴霄
【作者单位】中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都610213;中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都610213;中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都610213
【正文语种】中 文
【中图分类】TL362
0 引言
机柜良好的散热能力，意味着机柜中的设备具有良好的运行环境。目前安全级DCS电气机柜的散热设计的方式大多采用传统的理论计算和行业经验进行设计。设计过程中难免会出现裕量过大或者不足的问题，安全级DCS对设备的要求较高，而传统的试验方式又难以提前发现设计过程中的风险项，如果进行反复试验整改将会提高研发成本。
为实现安全级DCS机柜热设计的科学性、合理性及经济性，可以采用传统理论计算与仿真计算相结合的方式对机柜进行科学的热设计。传统的理论计算主要用于对机柜的散热进行预设计，包括风道布置，风扇选型等，而仿真计算主要用于校核机柜风道设计以及风扇流量的合理性、查设计中的薄弱环节以及计算关键点的温度值，并通过仿真计算结果对设
计进行改进。
本文根据NASPIC平台安全级机柜的设计要求开展机柜的散热设计，并按照设计要求进行了散热性能的校核。
1 设计输入
根据上层需求，机柜的尺寸为800mm×800mm×2200mm（宽×深×高），柜内的功耗不超过1000W，机柜工作时，进出风口的温差不超过15℃，同时柜内设备能够满足在25℃和55℃环境条件下能够正常工作。
2 机柜自然散热性能评估
参考密封电子设备机箱的热设计，将密闭机箱的散热功耗计算方法运用于机柜的散热功耗计算，如公式（1）所示[1,2,6]。根据系统配置，整个机柜内部的功耗不超过1000W，由于机柜的底部在现场需要焊接在地面，机柜顶部为线缆进线空间，所以机柜主要的散热面为4个侧面，忽略顶部和底部的散热能力，带入公式（1）计算出机柜的散热功耗P。
式中：P —机柜的散热功率，W。
SS —机柜侧面内壁的有效面积，m2。
St —机柜顶部的表面积，m2。
Sb —机柜的底面积，m2。
Δt —机柜的温升值，℃。
σ —斯忒潘-玻耳兹曼常数，σ=5.67×10-5W/(m2·℃)。
ε —辐射系数。
T —机柜的表面温度，℃。
Ta —环境温度，℃。
假设在25℃环境条件下，由于机柜表面材质为镀锌钢板，所以其辐射系数ε为0.23。根据上述计算公式，机柜的自然散热功耗约为575W，并不能满足1000W的散热要求。
3 散热方式的选择
机柜的散热方式除自然冷却（对流和辐射）方式以外还有强迫空气散热、浸没自然对流冷却、浸没沸腾冷却和强迫水冷等散热方式，具体可以根据热流密度与温升要求，按图1所示的关系进行选择，该方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却[2,8]。热流密度φ计算公式为：
式中：φ—机柜的热流密度，W/cm2。
P—机柜内部功耗，W。
S—机柜的散热表面积，cm2。
通过计算机柜热流密度约为0.022W/cm2，机柜的温升要求为15℃，通过在图1中描点可知，机柜散热方式已经不适合使用自然冷却散热，保险起见机柜的散热方式使用强迫空气冷却散热。
4 散热解决方案制定
充退磁控制器散热解决方案需要明确机柜内部的热源布置、通风位置（包含风扇位置及风量）确定以及气流走向。
4.1 热源布置
安全级DCS机柜内部的热源主要有控制机箱，机柜内部电气元件以及供电的电源模块，机柜输入电源的滤波器，其中机柜根据内部安装的机箱类型分为3U机柜与6U机柜，3U机柜中最多安装5个3U机箱，机柜内的电源模块的数量最多为10个，滤波器的数量至少为2个，同时机柜内部还有若干发热量可以忽略不计的空气开关、终端模块以及控制线缆等装置，各设备的发热功耗如表1所示。
图1 冷却方法的选择Fig.1 Selection of cooling methods
表1 各设备发热功耗Table 1 Heat dissipation power of each equipment设备类型功耗（W）数量机箱150 3～5电源9.6 10滤波器70 2电子鱼竿
机柜内部的热源放置遵循从上到下，发热功耗依次降低的原则。发热量大而集中的热源能够快速将空气加热，使空气的温度升高，受热后的空气密度降低，热空气将会向柜顶流动，柜顶空气将会形成负压，柜底的冷空气将会向柜顶流动，从而形成一个自然对流的风道。
考虑到机柜与机箱均参照19寸基准尺寸进行设计。因此，机箱在机柜内部选择垂直堆放，由于机箱的发热量较大，机箱在堆放的过程中需要间隔一定的距离，同时在机箱与机箱之间增加导流板，将经过机箱后的热气流导向机柜的后端，同时使冷却机箱的冷空气从机柜的前端进入，避免机箱的发热相互影响。
由于电源模块的体积小，发热量大，数量多，所以将电源模块放置在机柜顶端。电源模块与机箱之间可以放置发热量几乎可以忽略不计的空开等设备。
由于滤波器的散热面积较大，能够承受的温度较高。因此，将滤波器放置在机柜的底部。综上所述，机柜的冷热空气将被机柜内的设备分隔在机柜的前后端。
4.2 通风设置
4.2.1 通风孔位置确定空气清净机
图2 通风机形式Fig.2 Fan type
图3 机柜风道Fig.3 Cabinet air duct
不锈钢旗杆制作根据热源布置方案可以确定的是机柜的后端为热气流，正面为冷空气，进出风口的位置遵循最远距离规则，满足气流能够通过机柜内部的主要发热区域。机柜最底端的热源为滤波器，最顶端的热源为电源。因此，将机柜的进风口设置在机柜的前门下端，使冷空气从进入机柜开始就能够对柜内的电气元件进行冷却降温。机柜的出风口设置在机柜后门的顶端，使机柜内的热气流在柜顶能够被充分地排出机柜外。
4.2.2 风扇选型
由于机柜内部的热源垂直分布于机柜的中部，比较分散，所以整个机柜采用抽风冷却的方式对机柜进行散热。该方式能够保证冷空气能够均匀地通过各个热源，并及时将机柜内的热空气排出柜外。目前市面上主流的风扇有轴流风扇和离心风扇，轴流风扇的进气口与出风口在同一轴向上，离心风扇的进气口与出风口呈垂直分布，如图2所示。由于机柜的后门上安装风扇的安装面与热源和外界环境为平行面，因而散热风扇只能够选择轴流风扇。整个机柜将会形成如图3所示的气流通道。
4.2.3 风量确定
机柜风量的确定是根据机柜散热所需的风量来进行选择，首先保证散热风扇的风量满足要求，然后再对风扇的静压进行校核。空气的质量流量qm与发热量Фt、温升Δt1之间的关系，可以表示为[3,8]：
平板天线
根据质量、体积与密度的关系可以推导出风机的风量Qf与空气的质量流量qm之间的关系为：
式中：qm —空气的质量流量，kg/s。
Qf —风扇风量，m3/min。
Фt —机柜内部功耗，W。
Δt1 —机柜内部的允许温升，℃。
cp —空气的定压比热容，J/(kg∙℃)。
ρp —空气的密度，kg/m3。
由于机柜温升不超过15℃，环境温度在25℃情况下，因而假定机柜达到热平衡后的平均温度为30℃，空气的密度为1.165kg/m3，由于机柜的防护等级为IP30，且具有电磁屏蔽要求，所以在风扇的出风口上安装了防尘棉和屏蔽网，防尘棉和屏蔽网的综合通风率为0.4，通过计算，机柜需要的散热风量约为0.0585m3/s（210.62m3/h）。
散热风扇的风量确定后还需要保证风扇的风压必须大于机柜内部系统的压力损失，以保证机柜内部的所有元器件散出的热量被内部散热风扇及时排除机柜外。当系统流体的速度和方向发生变化时，所引起的局部压力损失Δpc由公式（8）计算。
式中：Δpc —局部压力损失，Pa。
∑ζ —局部阻力损失系数或几个损失系数之和，其值见表2分支管局部阻力系数。
ν —空气的平均流速，m/s。
ρ —空气的密度，kg/m3。
水貂肉表2 分支管局部阻力系数[4]Table 2 Local resistance coefficient of branch pipeline[4]注：
① 各种分流及合流情况，可按表2进行组合来确定阻力系数；② 计算公式中的流速应为主管道内流体的平均流速。?
根据机柜的风道设计，机柜内的通风路径简化之后如图4所示。各处的阻力损失系数见图4。
图4 通风风道简化Fig.4 Cabinet air duct is simplified
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