核级DCS机箱设备散热性能研究及影响因素分析

2023-06-08李华桥田文喜李发强王东伟

重庆理工大学学报(自然科学) 2023年5期

李华桥,田文喜,陈伟,,李发强,,王东伟

(1.西安交通大学能源与动力工程学院, 西安 710049;2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室, 成都 610213)

0 引言

核安全级数字化控制系统(DCS)是核电站安全运行的关键组成部分,其稳定性和可靠性对反应堆的正常运行意义重大[1]。考虑到DCS中安装了大量的电子元器件,因此其热稳定性会对整个控制系统产生重要影响。从DCS的安全性和可靠性角度考虑,目前DCS的散热方式采用强迫风冷技术,即在高发热器件上安装特定的散热器,利用风扇增大散热器表面的空气流速,从而实现器件的降温。因此,深入探究DCS设备的热学性能,是实现高效散热的关键[2]。

目前,研究者对影响电子设备散热性能的关键因素和前沿技术开展了大量的研究[3-15]。刘佳鑫等[9]研究了冷却风扇转速与散热器性能之间的关系特征,采用具有大迎风面和低厚度的散热器,并联式双风扇散热方案进行数值仿真,结果表明采用双风扇可以提高中冷器的散热性能。王秋晓等[10]探究了电子机箱内部电路板表面的局部传热系数,发现沿电路板的长度方向,电路板局部表面传热系数是先降低后增大。王敏等[11]针对动车组逻辑控制机箱内继电器表面温度过高的问题,提出一种改善继电器表面温度的散热结构。通过对比分析改进前后的机箱继电器表面温度和内腔温度的变化,验证散热结构的有效性。Sheremet等[13]研究了瑞利数、翅片高度、纳米颗粒浓度对腔内热量传输和流动结果的影响,研究结果表明,翅片高度和纳米颗粒浓度的上升有助于热源的散热。

以上研究为电子设备散热性能及其关键影响因素提供了重要参考。但是,上述研究主要针对密闭机箱、散热翅片等领域,且单纯的理论研究并没有证明所建立模型的准确性和可靠性。此外,目前关于核电仪控设备的热学性能及其影响参数的研究工作非常有限,难以为核电仪控设备的散热设计提供足够的参考。

本研究对某安全级DCS机箱的热学性能开展研究。首先建立该机箱系统的有限元模型,利用Flotherm模拟计算机箱在正常工作状态下的温度变化特性,并同试验结果进行对比,从而确保模型的可靠性与准确性。在此基础上,本研究重点分析了取热方式、通风率、进风方式以及风量等参数对系统温度变化的影响,通过探究上述参数的变化对系统温度的作用效果,从而提出改进机箱系统散热性能的有效手段。

1 传热基本理论

1.1 热传导

热传导是一种换热现象,由存在温度差的高温物体和低温物体接触后产生。其导热过程中总热流量与引起换热的温差和导热面积成正比,且与物体的导热系数有关,其数学表达式为:

Ф=λ·A·Δt

(1)

式中:Φ为热流量,W;λ为导热系数,W/(m·℃);A为垂直于热流方向的截面面积,m2;Δt为温差,℃。

1.2 热对流

热对流是由存在温度差的流体和固体耦合后产生的热交换现象,也称为对流换热。其总的换热量与引起换热的温差和导热面积成正比,且与物体固有的对流换热系数有关,其数学表达式为:

Ф=α·A·Δt

(2)

式中:Φ为对流换热量,W;α为对流换热系数,W/(m2·℃);A为换热面积,m2;Δt为流体与固体的温差,℃。

1.3 热辐射

热辐射是由高于绝对零度的物体之间互相辐射和接收能量而产生的热交换现象。辐射换热的物理规律描述为斯蒂芬伯尔曼黑体辐射计算公式:

(3)

式中:Φ为辐射换热量,W;α为黑体辐射常数,为5.67×10-8W/(m2·K4);A为辐射表面积,m2;T为辐射表面绝对温度,K。

在核仪控领域主要采用自然对流散热或强制风冷散热,热辐射因为其传热量相对较少,一般忽略不计,主要考虑热传导和热对流的影响[2]。

2 试验与建模仿真

2.1 试验分析

某安全级DCS机箱结构外形尺寸为宽度482.6 mm×高度132 mm×深度320 mm(不含把手和定位销等突出部件),如图1(a)所示。该机箱上、下面均有通风孔,有14个卡槽,卡槽间距30.48 mm,从左至右分别编号为卡槽1至卡槽14,其实物图见图1(b)。每个卡槽可以安装1个插件盒,插件盒包括面板和壳体,上述壳体上下面均有散热孔,插件盒主要用于安装和保护内部的各种功能模块,其外形见图1(c)。功能模块外形见图1(d),主要为PCB板及相关连接器,PCB板通过6个螺柱固定在插件盒壳体上。其中卡槽1和卡槽2均安装主控模块,主控模块上主要有4个发热器件,分别定义为U1、U2、U3、U4,其位置示意见图1(d),其发热相关参数见表1。

图1 机箱和模块结构示意图

表1 主控模块的主要发热器件参数

从表1可以看出,芯片U1单位表面积发热功耗和与PCB单位接触的单位面积发热功耗均为最大,为保证其正常运行,安装有翅片型式的散热器进行辅助散热,其示意图如图2(a)。在研发过程中,需要将机箱系统放置在温箱中进行长期稳定运行试验。详细试验过程为:将装配好的机箱放入温箱内部,并将电源、信号电缆从专用接线口引出,关闭温箱柜门,保证温箱内部与外部环境隔绝。随后将温箱内部目标温度设置为25 ℃,温升速度不大于1 ℃/min,温箱启动工作。最后待温箱内部环境稳定半小时后,对机箱上电运行。机箱工作后,监测其信号精度、响应时间等参数,以确定其功能、性能满足要求。试验装置如图2(b)所示。

图2 试验状态图片

试验结果如图3所示。可以看出,随着试验过程的进行,U1处的温度呈现出上升的趋势,并在试验进行3 h后芯片温度达到稳定,通过对U1处的温度进行测试,可见稳定阶段的芯片温度为87.9 ℃。虽然该温度下能够保证该芯片正常工作,不会出现瞬时温度过高的现象,但是尽可能控制该温度的上升程度依然非常有必要。

图3 U1芯片试验温度曲线

2.2 有限元模拟分析

建立机箱的有限元模型,如图4(a)所示,模拟机箱在自然散热作用下的温度变化。该机箱的主体材料为5052铝合金,壳体厚度为2 mm,机箱的顶面和底面有通风孔,通风孔面积均为 260 mm×400 mm,通风率为 50%。插件盒前面板为4 mm厚的压铸铝,盒体为 2 mm厚的5052铝合金。插件盒为上下开通风孔结构,通风孔面积均为300 mm×20 mm,通风率为50%。

如图4(b)所示,在主控模块上有发热芯片U1、U2、U3和U4,均位于同侧且互不接触。主要发热芯片U1上使用翅片型散热器,散热器材料为6061铝合金,散热器底座尺寸为35 mm×35 mm×3 mm,翅片数量为7个,翅片高度8 mm,翅片厚度2 mm,翅片间距3.5 mm。除主控模块外,机箱内还安装有12块功能模块,设置上述功能模块的发热功耗为3 W且均匀分布在整个PCB板上。PCB板与插件盒之间的螺柱有传热接触,对其简化为等截面积的立柱,设定PCB材质为FR4,环境温度为25 ℃,系统分析区域尺寸为600 mm×500 mm×886 mm,并对主控模块的芯片和散热器区域进行局域网格划分,最终网格数量为2 396 349个。

图4 机箱和插件盒热仿真模型示意图

图5为稳定阶段机箱系统的温度分布云图,可以看出,由于主控制卡的U1芯片功耗较大,因此U1芯片发热严重,形成了局部高温区域,且该热量逐步向周边扩散。另外,可见稳定阶段U1芯片的最高温度为90 ℃,该温度与实际采集温度87.9 ℃基本一致。因此研究结果证明了改有限元模型的可靠性,可用于后续的理论模拟分析。

图5 机箱散热仿真结果

3 机箱散热性能研究

机箱顶部表面温度分布如图6(a)所示。可以看出,安装主控模块的卡槽1和卡槽2处温度最高,为39.8 ℃,并且热量逐渐向周边传递。当热量传递至卡槽8时,顶盖温度降低至37.5 ℃;进一步地,在卡槽14处,机箱顶盖处的温度降低至34.3 ℃。对比各模块发热功耗,主控模块的发热功耗最大,为7 W,其余功能模块的发热功耗均为3 W。该结果证明机箱表面温度与功能模块的发热功耗分布是一致的。进一步地,对机箱底部表面温度分布进行分析,结果见图6(b)。可以看出,卡槽1处底盖温度为38.7 ℃,相比于顶盖温降低1.1 ℃;卡槽8处的底盖温度为35.7 ℃,相比于顶盖温度降低1.8 ℃;卡槽14处底盖温度为33.8 ℃,相比于顶盖温度降低0.5 ℃。该现象证明,在机箱的同一竖直方向,热量有向上传递的趋势。

图6 机箱散热仿真结果

机箱内部压强分布见图7(a),可见在机箱工作时,随着各模块温度的升高,使得机箱内部空气温度随之升高,热空气密度降低后向上流动形成正压,并从顶部通风孔逸出。相比之下,机箱底部形成负压,冷空气自机箱底部通风孔进入机箱,以此形成自下而上的空气对流。

图7 机箱压强和空气流速仿真结果

从图7(b)可以看出,空气从机箱底部以较低流速进入机箱,在机箱内部沿结构件之间的间隙向上流动。空气在流动过程中带走器件表面产生的热量,伴随着空气温度的升高,其流动速度增大,最终以较快速度从机箱顶部逸出。

4 机箱散热影响因素分析

在强制风冷散热的状态下,机箱和插件盒的散热性能主要取决于传热面积、对流散热面积、热源与环境温度差值等。本研究从取热方式、通风率、进风方式和风量等4个方面,探究上述参数的变化对机箱散热性能的影响。

4.1 取热方式对散热性能的影响

对现有取热方式进行总结,如表2所示。其中方案1常见于普通电子元器件,如电阻、电容、DC/DC模块等;方案2适用于发热量较大的产品,如主处理器芯片;方案3和方案4常见于独立模块,该类模块通常单独安装,独立承担特定功能;方案5常见于航空航天等发热量大或密闭空间等环境。其中方案1和方案2使用最为普遍,方案3至方案5加工难度依次提升,常用于存在高散热需求的密闭环境中。

表2 取热方式总结

对上述方案进行散热仿真,各方案下的温度云图如图8所示,对以上各方案的芯片型心位置的温度进行采集对比,其结果如表3和图9所示。

图8 各方案下的PCB板温度云图

表3 方案1-5芯片最高温度 ℃

当芯片增加了翅片散热器后(方案2),由于散热器的铝制材料具有良好的导热性能,且散热翅片增大了散热面积,因此芯片U1的稳态温度显著下降,为87.3 ℃。与此同时,U2、U3和U4的温度也显著下降,均低于70 ℃。当对芯片采用导热垫取热至插件盒壳体上(方案3),由于导热垫良好的导热性能以及插件盒壳体进一步增大了散热面积,所有芯片的稳态温度均低于60 ℃,热量进一步耗散。在方案3的基础上,通过将壳体表面修饰成为翅片形式(方案4),温度进一步下降,最大功耗的发热器件U1的稳态温度仅为51.9 ℃。进一步地,将热量通过插件盒壳体传递至机箱本体(方案5),可以看出温度进一步下降,U1的稳态温度仅为50.6 ℃,且其他各器件的最高温度均有明显下降,并且相比于其他方案,通过热量的传递实现增大散热面积的手段,在降低器件温度的同时,也使得各器件的温度分布更加均匀,不同器件之间的稳态温度更加接近,局部过热的现象逐渐消失。

图9 方案1-5芯片最高温度对比

4.2 通风率对散热性能的影响

在仪控设备机箱中,为方便机箱散热,一般在机箱的上/下面进行镂空处理,镂空面积与单位总面积的比值通常称为通风率。本研究逐步改变机箱上/下盖板的通风率,并取卡槽1处主控模块的U1芯片为研究对象,结果如表4所示。

表4 通风率变化和仿真结果

续表(表4)

由表4可以看出,当滤网通风率为10%时,U1芯片的最高温度达到了91.1 ℃;当滤网通风率增大为20%时,U1芯片的最高温度有所降低,达到了90.7 ℃;随着通风率进一步增大,U1最高温度持续下降,当滤网通风率增大为80%时,U1芯片的最高温度降至87.3 ℃,可见机箱的散热性能随着滤网通风率的提高而逐步提升。芯片温度与进出风口通风率的关系见图10。可以看出,芯片的最高温度和滤网通风率呈现出近似线性递减的关系,该结论对结构通风率的设计提供了一定的参考。

图10 芯片温度与进出风口通风率的关系曲线

4.3 进风方式对机箱散热性能的影响

在核安全级DCS系统中,风扇通常位于机箱的上方或下方,如图11所示。此时存在2种进风方式的情况,即:风扇位于机箱上方向外吸风和风扇位于机箱下方向内送风。对这2种方式的散热效果进行分析,保持机箱内各部件的热学参数不变,并取U1芯片温度为研究对象,结果见图12。

图11 机箱与风扇位置示意图

图12 改变进风方式后的散热仿真结果

可以看出,风扇位于机箱上方并向外吸风时,U1的稳态温度为59.8 ℃;风扇位于机箱下方并向内送风时,U1的稳态温度为63 ℃。本研究结果证明:风扇位于机箱上方并向外吸风时,U1的稳态温度更低,机箱的散热效果更佳。对比2种进风方式的内部气流,如图13所示。风扇位于机箱下方时,通过底部向上送风使机箱内部形成正压,此时空气向各方向流动,并从机箱顶部的通风孔排出机箱,在此过程中形成涡流,降低散热效率。风扇位于机箱上方并向外吸风时,在机箱内部形成负压,冷空气从机箱底部的进风口进入机箱内部,此种方式更有利于风道的形成,散热效率更高。

图13 2种进风方式内部气流情况对比

4.4 风量对机箱散热性能的影响

在DCS系统中,因电压、功率的不同会选用不同规格的风扇,这些风扇在尺寸、静压、风量的方面均存在差异。为研究不同风量对机箱散热性能的影响,本研究通过改变风扇的固定风量,对比芯片U1稳态温度,探究风量变化对机箱散热性能的影响。在有限元模型中,将风扇设定在机箱上方且向外吸风,设置通风率为50%,环境温度为25 ℃。将风扇的风量由20 m3·h-1逐步提升至160 m3·h-1,主控模块温度随风扇风量变化的结果见表5,并将相关参数绘制为图14。