！ Ｑ：堕 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 工业技术 基于Ｓｏｌ ｉｄＷｏｒｋｓ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ的控制柜的热分析 朱维金刘长斌吕忠伟王凤利郭帅 （沈阳新松机器人自动化股份有限公司沈阳１ １０１６８） 摘 要：以热力学理论为基础，使用ｓ０ｌｉｄｗｏｒｋｓ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ有限元流体仿真软件，建立了机械手控制柜热分析模型，通过加哉流量的边 界条件和初始温度条件，得到了稳态温度值及机械手控制柜内部的流场，从而为机械手控制柜热设计提供了可靠依据 关键词：控制柜热分析流扬 中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１３）０２（ｂ）一００８６—０２ 机械手控制柜，国外采用高度集成化、 小型化的元器件，而对于中国只提供低端且 体积较大的元器件，造成国产机械手控制 柜体积较大。虽然在价格上有一定优势，却 难以在控制柜的外形尺寸上替换国外机械 手的控制柜，使国产机械手在国际产品的竞 争上处于劣势。 随着洁净行业的快速发展，近年来越 来越多的客户对机械手控制柜提出小型化 的需求。机械手控制柜小型化后，受到本身 耗散的热量作用使得机械手控制柜内部的 温度有可能超出元器件允许的范围，会降低 元器件的性能以及寿命，进而导致故障，降 低整个系统的稳定性甚至造成重大安全事 故。机械手控制柜为系统设备的主要载体， 其安全性和可靠性是必不可少的。因此，在 机械手控制柜中如何控制好内部的温度， 给机械手提供良好的运行环境，是机械手 控制柜设计及系统稳定运行的关键所在。 鉴于控制柜散热分析在实际工程中的 图１ 机械手控制柜结构 重要作用，很多单位和学者对其展开了研 究。顾忠仁…对典型控制柜散热方法的比较 重要的方式，通过分子间的碰撞来传递热 在产品开发的任何阶段都能够从流体仿真 分析，得出了每种控制柜所适应的条件和工 量。热量的传导方式是从高温区传递到低 中获益，借助更完善的仿真结果实现更好的 况，此方法只针对于散热部件的计算，缺乏 温区。传递热量大小与介质热导率、温度梯 设计。这样就可以使用熟悉的工作流程、命 整柜分析。康虹桥 对防爆电梯电气控制柜 度和通过面积成正比，与介质厚度成反比。 令和配置在熟悉的ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ设计环境 进行散热分析与计算，通过对元器件传热 其表达式如下： 中运行虚拟流体测试。 和散热途径的分析，建立平衡方程，得出了 柜体最高表面温度，其方法复杂，不便于数 ｅ传导： （１） ２机械手控制柜的热仿真 值计算。张洋 对户外控制柜的散热进行了 ２．１机械手控制柜结构 数值仿真研究，对比了不同的散热方案。可 式中，九为介质热导率； — 为温 度梯度，Ａ为热传递通过的面积；Ｌ为介质 机械手控制柜结构如图１所示，图ｌ标出 以控制内部温度，适合于户外大型控制柜， 的厚度。 各元器件的位置及其热功耗。１号控制柜是 对于小型化机械手控制柜还需深入研究。 对流是一种传热模式，即固体表面与 按照传统方法设计的控制柜其体积较大，２ 在机械手控制柜的产品开发中，由于受外形 附近流体间的传热。固体表面与附近流体 号控制柜是经过热分析优化后的小型化控 尺寸、洁净要求、风道要求、元器件尺寸、元 对流传热的大小与对流系数、表面积和 制柜。 器件使用温度等因素的限制，产品设计难度 表面与周围流体之间的温度差。其表达式 ２．２机械手控制柜材料模型 大，所以需要一种适合于机械手控制柜的 如下： 应用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立几何实体模型。 热设计分析方法。该文以热力学为理论基 Ｑ对流＝ （ —Ｔｒ） （２） 外壳采用３０４不锈钢拉丝板，元器件安装板 础，基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 式中，ｈ为对流系数；Ａ为表面积； 采用Ｑ２３５Ａ电镀锌板，散热器采用铝材质， 软件，建立了机械手控制柜热设计模型，分 ・Ｔｆ为表面与周围流体之间的温度差。 元器件塑料外壳由于导热性差，对流场有 析了温度场随时间的变化规律，为机械手 １．２ ＳｏｌｉｄＷｏ ｒｋｓ ＦＩＯＷ Ｓｉｍｕｔａｔｉｏｎ软件 影响所以采用绝热件模拟。 控制柜稳定运行建立了理论依据。 介绍 一 ２．３机械手控制柜有限元模型 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［４１ 应用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立几何实体模型， １热力学理论基础及软件介绍 是一款功能强大的计算流体力学（ＣＦＤ）工 用ＳｏｌｉｄＷｏｋｓ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ将模型 １．１热力学理论基础 具，这款流体仿真软件去除了计算流体力学 划分网格。得流体网格１２１４８个；固体网格 控制柜的热分析主要涉及的是热传 的复杂性，可以轻松快捷地仿真流体流动、 ６７４１个。 递的相关知识。热传递机理主要有３种：传 传热和流体作用力等流体与传热内容。其完 ２．４机械手控制柜边界及初始条件 导、对流和辐射…。传导是固体中热传递最 全集成在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ ３Ｄ ＣＡＤ软件内， １号风机压差峰值７ ８ Ｐ ａ，流量 ８６ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 型！ Ｑ： ｉ 工业技术 ０．０１１ ｍ ／ｓ，２号风机压差峰值２５ Ｐａ，流 量０．００６ｌ ｍ ／ｓ，为控制柜出风口的边界 条件。具体工况还会受过滤棉、多孔板、内 ４５ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 计需要。可以看出软件分析的结果高于实测 值，这是由于建立模型只考虑了元气件的风 机强对流散热，忽略了机械手控制柜外壳 对外界的辐射和对流传热的原因。 ２５ 部材料摩擦系数等’因素的影响。工作环境 温度为２０℃。 ３５ ２．５仿真结果分析 经过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １５ ０ ５Ｏ ｌ００ ３结语 （１）使用流体有限元工具，不仅可以成 软件分析，得控制柜入风口和出风口流体 图２流体热力学分析数值 功求解机械手控制柜热分析问题，而且方 法简单，模型精确，结论可信。 （２）机械手控制柜的热分析结果表明， 热力学分析数值。如图２所示，图中的线１ 为人风口温度随时间的变化线，其值恒为 ２０℃，与工作环境温度相一致；线２为１号 控制柜出风口温度随时间的变化曲线，稳 机械手控制柜温升值与实验值相一致。 满足机械手控制柜内部元器件的许用温 态值为２７．３℃；线３为２号控制柜出风口温 度值。 度随时间的变化曲线，稳态值为３８．６℃； （３）机械手控制柜的热分析结果表明， ｌ号控制柜按照传统方法设计温度上升 经过对控制柜内部元器件优化布置，机械 ７．３℃，２号控制柜温度上升１ ８．６℃ｌ ２ 手控制柜外形尺寸得到优化，达到小型化的 号控制柜按照外形尺寸的目标优化设计， 目的。 其风机数量减少，元器件功率高，流场体 积小，所以导致其温度比１号控制柜多升 参考文献 高ｌ１．３℃。本优化设计以控制柜外形尺 ［１］顾忠仁．电气控制柜散热方法的比较分 寸小型化为主要优化目标，元器件的长期 析［Ｊ］．电器制造，２００６，２２：２９－３０． 稳定工作温度小于６５℃即可。２号控制柜 ［２］康虹桥，包鸣．防爆电梯电气控制柜的 外形尺寸长４３８．５ ｍｍ ｘ宽２３５ ｍｍ ｘ高 散热分析与计算［Ｊ］．中国电梯，２０ｌ２，２３ １７７ ｍｍ，较控制柜１号外形尺寸长６００ ｍｉｎｘ 图３控制柜从入风口到出风口流场 （１７）４５－４７． 宽４３６ ｍｍｘ高２１２ ｍｍ，体积缩４￣６７％。 ［３］张洋，严华，张永峰．智能变电站户外 图３控制柜从入风口到出风口流场，可 ２．６试验验证 控制柜风机散热研究及仿真分析【Ｊ】． 以看出ｌ号控制柜流场较为均匀；２号控制 ｌ号控制柜在恒温２ ０ ℃的洁净 ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化，２０１２， 柜内部汇流到出风口对关键元器件集中制 间，连续运行８ ｈ后出风口实测的 １０：４９－５１． 冷，流场布局更为合理。 平均温度值为２ ５．０ ℃。软件分析 ［４］陈超祥．Ｓ Ｏ ｌｉ ｄ Ｗ Ｏ ｋ Ｓ Ｆ ｌ Ｏ ｗ 值与实验的误差，（２ ７．３～２ ５．０℃） Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ教程［Ｍ】．北京：机械工业出 ／２７．３℃Ｘｌ００％＝８．４％＜ｌ０％满足工程设 版社，２０ｌ１． （上接８５页） 铰链（２２）、 换风口、换风阀门、导流板组成的的系统具 高干燥速度。 锁紧装置（２３）、 有气流循环的功能，当导热介质盘管中流动 ５：在传统的冻干工艺之前适当的热风干燥 温度探测装置、湿度探测装置、电器 高温介质时，使得该干燥箱具有热风干燥 处理，使得果蔬片体积略微收缩，后续获得的产 控制柜组成，所述真空抽气口（１０）通过冷 的功能；如果我们先用热风干燥的方式处 品有着适当的硬度、脆度，进一步提高口感。 凝部件（１１）与真空泵相连接；导热介质管 理快速除去大部分自由水后，再转为真空干 ６：在传统的冻干工艺之前适当的热风 路（４）通过金属软管（２４）、导热介质进口 燥，那么这种分段干燥的结果是总体时间 干燥处理，使得果蔬片内的毛细管道水分 （８）和导热介质出口（９）与热源相连，构成 比单一的真空干燥节省了５０％的时间，且干 适当减少，在此基础上冷冻后的产品有着较 密封的循环管路；所述的风机（１２）通过气 燥质量没有降低。 高的水汽溢出通道，为进一步真空冷冻干燥 流管道（１３）、气流管道阀门（１４）、气流分流 ３：低温介质盘管位置介于箱体的内侧 提供便利。 板（１ ５）和箱体（２）内部连通，构成封闭的 面和导流板之间，当热介质盘管内的热介 ７：在传统的冻干工艺之前适当的热风 气流循环系统；所述的低温介质盘管（１７） 质被收回，低温介质盘管内通有低温介质 干燥处理，能够杀灭干燥箱内部的细菌以 通过低温介质盘管进口（２０）、低温介质 时，一旦气流系统开启，会有低温气流吹入 及果蔬片在前期切片中污染的细菌。 盘管出口（２１）与冷源相连，构成密封的循 箱内，继而使箱体具有冷冻的功能。 环管路；所述电磁振荡器（１８）安装在箱体 ４：所述电磁振荡器（１ ８）安装在箱体 参考文献 （２）的底部，烘盘支架（７）的下方。 （２）的底部。电磁震荡能通过箱体传递到 ［１］朱文学．食品干燥原理与技术【Ｍ】．北京： ２：由风机、风机管道、风机管道阀门、 物料上，使物料处于轻微震动状态，从而提 科学出版社，２００９：６２１． 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ｅｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ８７
