计算机散热系统（精选7篇）
计算机散热系统 篇1
0引言
建设大型空冷机组是解决富煤缺水地区电力建 设中煤水矛盾的必经之路,而间接空冷系统以其在抗大风能力方面的优势成为“三北”地区电力系统主流的设计方案。目前,间冷方案中多选用双流程逆 向交叉流 型散热器,该散热器 具有管排 数多、管程较长、阻力值大的特点,其阻力值约占整个间冷循环水管路系统总阻力的60%~70%,因此应该在设计中准确地计算出散热器的阻力损失。本文就散热器中上、下联箱阻力计算问题进行了重点的分析和探讨。
1采用的计算方法
以单个散热器的流量为0.097m3/s为例,分别采用不同的计算方法进行分析。
1.1将上、下联箱简化为软件内置阻力元件
在前期分析计算中,利用针对不可压缩流体分析的专业计算软件AFTFathom进行模拟分析。在建模过程中,用计算软件内置的阻力元件 代替上、下联 箱,此阻力元 件未设阻 力值。在阻力系数设定方面,根据《火电发电厂汽水管道设计技术规定》中给定的阻力系数经验数据:联箱出口(即管道进口)的局部阻力系数为0.5;联箱入口(即管道出口)的局部阻力系数为1;连接板处的阻力件局部阻力系数为0.1。简化模型如图1所示。计算得出散热器的阻力值为4.86m水柱。
1.2单根基管与联箱连接处按三通元件设置
由于计算模型1对联箱上单根基管的流动特性 缺乏详细研究,考虑到它的结构形式类似于三通,因此借助三通的研 究方法对其进行研究。与计算模型1相同,采用AFTFathom软件进行计算,计算软件只能对圆形管道进行建模,因此,在建模过程中:(1)选取直径与截面不规则的下联箱分配集箱、下联箱汇水集箱、上联箱的水力直径相同的圆管代替相应联箱;(2)将单个基管与集箱连接处模拟成三通元件。相应模型局部细 节如图2、图3所示。计算得出散热器的阻力值为7.18m水柱。
1.3将联箱阻力单独考虑
在《电站锅炉水动力计算方法》中,对由联箱进出基管处的阻力系数进行了单独规定,具体阻力系数的表达式如下:
(1)分配联箱,介质端部引入时,公式如下:
介质侧面引入时,公式如下:
(2)汇流联箱εlx按式(2)计算。
其中,dn、dlx表示管子和 集箱的内 径(mm);n表示单面 端部或端侧引入、引出时,集箱系统中管子的数目。
集箱中部引入或引出时:n=管子数目/(2×引入或引出管数目)。
按上述计算公式,散热器阻力详细计算数据如表1所示。
2计算结果对比
在不同的循环水流量的条件下,采用上述3种不同的计算方法,可得出散热器的阻力曲线,如图4所示。
(1)计算模型1既不能有效地反映联箱阻力损失,又不能模拟联箱的实际尺寸。Fathom软件内置阻力件无任何结构参数,无法准确表达支管进出联箱的位置及联箱的结构尺寸。这样导致计算结果比实际阻力值偏小。
(2)计算模型2中过多的三通元件既不能有效反映管束基管的排数,又会出现两个三通之间的直管段长度过短,管系布置不合理,导致出现各个三通阻力件间阻力系数叠加使计算结果比实际阻力值偏大。
(3)计算模型3将散热器联箱阻力和管子阻力分开计算,联箱阻力概念的提出是为了使整个散热器的阻力损失计算准确而取的一种 折算阻力。经 过计算,在空冷散 热器阻力 计算中,联箱的总阻力占散热器总阻力的13.5%。因此空冷散热器阻力必须计入这一项损失,计算结果会比较接近于实际。但为了得到更准确 的阻力数 据,应该采用 具体的试 验来进一 步获取。
3结论
从采用不同的计算方法对散热器的阻力进行 分析的结 果来看:(1)在相同的循环水流量变化条件下,模型2计算得出的阻力值与模型1、模型3相比偏差较大;(2)在较小的循环水流量条件下,模型1和模型3计算得出的阻力值偏差不大,但随着流量的增加,模型3的阻力变化值较模型1更大。因此,根据各元件的阻力值与流量之间的关系,可得出采用模型3进行计算最接近于实际。
摘要：由于间接空冷表面式散热器管组联箱中水的流动工况和压力损失机理比较复杂,而散热器的阻力占整个间接空冷循环水管路系统阻力的60%~70%之间,因此散热器阻力的准确性对间接空冷系统中循环水泵的选型具有非常重要的意义。现采用不同的方法对散热器的阻力进行分析计算,为间接空冷系统循环水系统的阻力计算的准确性提供重要的理论依据。
关键词：间接空冷系统,散热器,联箱,阻力计算
计算机散热系统 篇2
CPCI主板如安装在强迫风冷或自然通风散热的机箱内,一般选择整体上盖结构进行主板加固,安装模块时无需辅助零件、通用性较强,可用于标准6UCPCI商用、工控和其他特种计算机。本文基于牛顿冷却对流方程,使用迭代法计算整体上盖散热片的散热效果,并在最后给出有限元分析法的结果作为对比。
2结构形式
散热片的具体结构为设计一块整体上盖覆盖在主板上,并通过两侧和中心的螺钉固定牢固,以增加主板整体刚度。主板上主要发热元件(CPU、网络控制器)通过局部散热片(上盖的一部分)散热,其他发热元件直接通过自然通风散热。主板前面板高度为6HP。模块整体结构尺寸为233.35×175.84×30mm(不含助拔器),如图1所示。
整体上盖的中部为局部散热片,散热片下部设有对应主要发热器件(CPU、网络控制器)的局部导热块,使发热器件上的热量经过散热片的散发到空气中。整体上盖其他部分为镂空的框架结构,以方便空气的流通,其外形尺寸为227×149×22mm,具体结构如图2所示。
3热功耗统计
CPCI主板上的主要发热元件的热功耗如表1所示(均选取合理的假定值),合计主板总热功耗为5.53W。
4散热计算
CPCI主板上热流密度最大的元器件是CPU和网络控制器,通过设计局部散热片散热,并在其接触面涂抹软性导热材料以减小接触热阻,而其他元器件直接通过自然通风散热。局部散热片为上盖的一部分,为方便计算,等效为图3所示散热片的结构。为减小自然对流条件下散热肋片间的空气阻塞,取肋片间距为10mm。CPCI主板位于计算机机箱内,设置机箱内温度为65℃,压力为一个标准大气压。
C P U表面的工作温度TCPU=th+△tc+△tsc+△t1,网络控制器表面的工作温度Tw=th+△tc+△tsw+△t2,其中:
th—机箱内部空气温度,取值为65℃(高于一般机箱外部最高工作环境温度55℃);
△tc—局部散热片对机箱内部空气温升;
△tsc—局部散热片CPU导热块部分的下表面到上表面的温升,采用稳态传导热流的基本关系式进行计算△t=QL/(KA)(公式1),Q=1.5W=0.36cal/s(CPU的耗散功率),L=11.9mm(CPU导热块部分的高度),K=0.0343cal/s·mm·℃(铝合金的导热系数),A=29×29mm2(CPU导热块部分的截面积),计算结果为△tsc=0.15℃;
△tsw—局部散热片网络控制器导热块部分的下表面到上表面的温升,计算原理参照△tsc,计算过程略,结果为0.17℃;
△t1—局部散热片CPU导热块的下表面到CPU封装接触面的温升,中间为软性导热材料,计算原理参照△tsc,计算过程略,结果为1.9℃;
△t2—局部散热片网络控制器导热块部分的下表面与网络控制器封装接触面的温升,中间为软性导热材料,计算原理参照△tsc,计算过程略,结果为1.5℃。
△tc计算。
由于此散热片为薄片结构(厚度不含肋片为3mm),忽略四周侧壁的散热和上下表面的温差,对△tc采用牛顿冷却对流方程(单位转换为英制)进行计算:Q=hcA△t(公式2),其中:
Q—耗散功率(此处为CPU和网络控制器的耗散功率之和2.55W);
hc—自然对流换热系数,增加散热片肋片后的换热系数需要修正;
A—热流路径横截面积;
△t—散热片与空气的温差。
单位转换为英制,涉及的单位中Btu为英制热量单位、h为小时、ft为英尺、℉为华氏度。
CPCI主板上的局部散热片水平放置,使用简化层流自然对流方程计算上表面hcs、下表面hcx和肋片的垂直侧面hcc:
其中:L—热流路径,水平面,肋片的L约等于肋片长度;η—肋片自然对流换热系数的修正值。
取△t为5℃=41℉;(℉为华氏度)
(上表面无肋片的等效热流路径);
(下表面的等效热流路径);
(肋片侧表面的热流路径)。
η的计算如下:
K=83Btu/hft2℉(铝合金的导热系数,Btu为英制热量单位、h为小时、ft为英尺、℉为华氏度);
(上表面无肋片的自然对流换热系数);
(下表面的自然对流换热系数);
(肋片侧表面的自然对流换热系数)。
(散热器上表面无肋片的热流路径横截面积);
(散热器下表面的热流路径横截面积);
(肋片侧表面的热流路径横截面积)。
由公式2,得出:
即
反复把△t带入公式3、4、5进行迭代计算,得到最终的△tc值约为2.7℃。
b)结论
CPU表面的工作温度TCPU=th+△tc+△tsc+△t1=65+2.7+0.15+1.9=69.75℃,网络控制器表面的工作温度Tw=th+△tc+△tsw+△t2=65+2.7+0.17+1.5=69.37℃,均小于芯片表面的允许正常工作温度(85℃)。
5有限元分析结果
使用ANSYS中的Icepak模块对CPCI主板散热片进行热仿真。建立热力学模型并且划分网格,环境空气温度设为65℃(模拟机箱内环境),压力为一个标准大气压,热模型流态为湍流。经Icepak计算求解,得出具体结果如图4、5所示。
经Icepak仿真计算,CPCI主板主要器件仿真温度如下:CPU的工作温度TCPU=69.83℃,网络控制器的工作温度Tw=69.43℃,与上节公式计算结果相近。
6总结
由于公式计算简化了其他发热元件(内存、硬盘等)、整体上盖其他部分(除散热片外)、PCB印制板等散热因素,所以计算结果与热仿真结果有一定误差。随着计算机仿真技术的发展,越来越多设计人员直接使用有限元分析进行电子产品的热设计,但传统工程公式的计算方法作为热设计的基础,对有限元分析中边界条件设置、参数选择、热模型简化和原理性知识的学习等仍然具有重要意义。
摘要：以覆盖整体上盖散热片的典型CPCI计算机主板为例,在自然通风散热方式的情况下,使用迭代法计算散热片的散热效果,并比对有限元分析法的结果。
关键词：散热片,热设计,迭代法,热仿真
参考文献
[1]D.S.斯坦伯格.电子设备冷却技术[M].北京:航空工业出版社,1989(10).
计算机散热系统 篇3
关键词：高温,计算机,CPU,影响机理,散热技术
在当今时代电子计算机已经深入到社会生活和生产的各个方面, 促使人类社会步入了信息化时代。在电子计算机的帮助下, 数据的更新和处理能力也实现了飞跃式的发展, 但是这种高度集成的计算机芯片的产生和应用, 也使得其对芯片散热技术有着更高的要求, 并且已经成为了相关领域研究的热点问题。
1 高温对计算机CPU性能影响机理
当计算机芯片的温度过高时, 其工作处理性能就会受到很大的影响, 甚至会导致整个计算机工作的瘫痪。相关研究表明高温对计算机芯片性能的影响机理主要是“电子迁移”的现象。其被发现和认识在上世纪五十年代中的微电子科学领域, 主要是指一种金属原子受到电子的流动的影响而产生移动的现象。在这种原理的作用下, 高强度的电流会使得为电子的流动带来较大的动量, 从而使得金属原子也受到电子的流动的影响而产生移动, 最终移动的金属原子就会在原本光滑的金属导线的表面道出流窜, 从而造成了其表面的凹凸不平, 而对集成电路内部造成永久性的损害[1]。从时间上来看, 这是一个较缓慢逐渐积累的过程, 当这种“电子迁移”的现象使得损害 (凹凸不平) 达到一定程度时, 就会使得计算机芯片的内部导线产生短路或断路的现象, 并且之后情况会越来越严重, 直到CPU最终报废。在高温对“电子迁移”现象的影响中, 温度越高, 电子流动对金属原子产生的动量作用就会越大, 而CPU在高温的影响下, 其内部导线通路被最终损害的时间就会越短, 在这种情况下CPU的使用性能也就受到了影响, 而CPU的最终使用寿命也就会变得更短。
2 计算机CPU芯片散热技术的发展
2.1 传统芯片散热技术
这类CPU散热技术由于发展时间较长, 已经在理论、实验和应用中取得了较为成熟的发展, 并且由于其技术工艺较为简单、价格较低的优势, 在芯片散热技术应用市场中占领着统治的地位。但是传统芯片适应不了高热流密度的散热应用, 其整体散热性能较差, 并且运动部件在传统散热装置中的应用也降低了系统的可靠性和使用寿命, 并且容易带来噪音污染, 所以在技术不断发展的趋势下, 这种传统的芯片散热技术也需要不断地实现发展完善, 才能不会被淘汰, 其中典型的传统散热技术的代表主要包括以下: (1) 风扇冷却。由于其技术工艺成熟简单和较低的价格优势, 风扇冷却在传统的CPU散热技术中一直占有着主导性的地位, 尤其是个人电子计算机的使用领域, 但是风扇散热技术的噪音污染是其重要的缺点, 所以对风扇冷却的改进要集中在叶形和流道的优化, 以及降噪的研究方面; (2) 气体压缩制冷。在科技不断发展的过程中新的工质也不断地被发现, 并应用于CPU散热中, 其主要是应用于满足终端服务器被集中放置的散热需求, 并且有着广阔的发展空间; (3) 宏观管路水冷。这种装置的散热效果要好于第一种, 并且噪音污染小, 目前也得到了较为广泛的应用; (4) 热超导管散热技术。这种散热技术的原理主要是利用工质的相变来传导热量, 在热导能力方面, 它甚至比铜都还要高出几百倍, 目前其已经成为CPU散热技术的发展趋势; (5) 除此之外, 还有包括热电和热声制冷等CPU散热技术, 但是由于目前其在应用方面还存在着较多的缺点, 有待于进一步优化, 所以其在广泛应用方面还需进一步研究。前者主要是体现在热点材料、热电堆的布置、以及制冷器件的机构优化当面, 后者主要是当前的微型热声制冷机还不能满足高功率芯片的散热要求, 这也就限制了其进一步的应用[2]。
2.2 新兴芯片芯片散热技术的发展
1) 液态金属冷却。这种冷却技术的冷却工质主要是利用了低熔点的金属或其合金来现实CPU对散热的需求, 但是当前的电磁泵并不能为高粘性的液态金属提供理想的流速动力, 从而使得CPU散热的效果实现也并不理想, 这是当前业态冷却技术中需要关注的重点之一。而且当且对于液态金属冷却工质的研究多是停留在低熔点的二元合金上, 对于三元和多元合金及纳米合金的液态金属研究并不深入, 并且当前液态金属冷却装置的集成度和微型化方面也不理想。
2) 微槽群散热。这种CPU散热技术原理基础主要是利用了相变散热, 而其中受到国内外学者关注和研究较多的就是微槽群散热。如国外的矩形和三角形微槽群相变散热系统已经被设计出, 国内也出现了开放式的矩形微槽群相变散热系统, 它们都已经在理论和实验方面取得了较大的发展。而且有些学者还实现了将它与平板换热器的结合, 而获得了更加优良的散热效果。
3) 纳米微其流冷却。这种CPU散热技术主要是利用空气分子电离技术来获得纳米级气流从而满足制冷散热的需要。主要是将两个距离很近的电极安装在CPU的表面, 然后利用电极来电离空气, 从而造成不平衡的电荷以破坏CPU表面的传热边界层, 这就使得芯片与外界的传热效率被大大提高了, 而且由于其没有运动部件, 所以综合来看其有着非常高的优越性。
4) 合成微喷即振动制冷。这种CPU散热技术主要是利用振动的原理, 使得气体工质在其作用下由腔内做吸进或喷出的作用, 从而通过连续的射流场作用, 而获得散热效果。它能将热边界层有效地破坏掉, 从而实地壁面换热系数被提高, 因此也就有着较高的冷却效率。
3 结论
总之, 高温对CPU的性能发挥和使用寿命有着较大影响, 甚至会导致整个计算机工作的瘫痪。所以计算机CPU芯片的散热技术对于控制高温对其自身性能的影响占有着重要的意义。就当前的情况来看, 其散热技术的发展主要可以分为传统芯片散热技术和和新兴芯片芯片散热技术, 但是每种类型的技术都还存在着或大或小的弱点, 所以为了更好地促进计算机CPU芯片的散热技术的发展, 还需要相关研究人员付出更大的努力。
参考文献
[1]程蓉蓉.计算机CPU芯片散热技术研究[J].网络安全技术与应用, 2014, (11) :90-93.
温度超标自动散热系统的设计 篇4
在科技不断发展的条件下, 人们也越来越重视安全与成本方面的问题, 而且现在的电子仪器集成度高, 价格昂贵, 且易发热, 稍有不慎就会导致内部元件烧毁, 修理费用高昂, 程序繁杂。本文通过市场调查, 分析了人们的实际需求, 设计研发出一款能够实时监测并及时为发热超标的仪器设备进行降温的温度超标自动降温设备, 随时保障精密仪器的安全使用。
2 系统方案
整个温度超标自动散热系统有温度监测模块、报警器模块、主控制模块以及散热设备这四大模块组成, 以实现对精密仪器的温度控制。
温度检测模块:选用美国DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20, 独特的单线接口方式、测温范围-55℃~+125℃, 工作电源3~5V/DC。报警模块:蜂鸣器5V (SOT塑封封装) 有源蜂鸣器, 长声。供电模块:供电模块采用220V50Hz经变压器得到5V直流电给主控模块供电, 由主控模块给其他功能模块供电。主控模块:整合处理控制各功能模块, STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器, 具有8K在系统可编程Flash存储器它带有32个IO口, 三个16位定时器/计数器, 4个外部中断, 一个7向量4级中断结构 (兼容传统51的5向量二级中断结构) , 全双工串行口。DC5V供电。散热设备:采用轴流式散热方式, 单片机通过三极管控制继电器, 继电器的两个端口接一个5v的直流小电机的正负级。通过温度传感器的测量数据让单片机控制电机的启停。如果检测到温度超过预定的温度上限值, 单片机就会立即控制电机运转进行降温。
3 硬件电路设计
⑴温度监测电路。数字温度传感器DS18B20是美国DALL AS公司推出的单总线数字测温芯片。具有独特的单总线接口方式, 仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。它有负压特性, 电源极性接反时, DS18B20不会因接错线而烧毁, 但不能正常工作。可以通过编程实现9~12位的温度转换精度设置。设定的分辨率越高, 所需要的温度数据转换时间就越长, 在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
=DS18B20因其可以采用寄生电源方式供电, 因此, 一条总线上可以同时挂接多个DS18B20, 实现多点测温系统。另外还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值, DS18B20检测到温度值经转换为数字量后, 自动存入存储器中, 并与设定值TH或TL进行比较, 当测量温度超出给定范围时, 就输出报警信号, 并自动识别是高温超限还是低温超限。
⑵温度超标自动报警电路。如图所示, 蜂鸣器的正极接到VCC (+5V) 电源上面, 蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E, 三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制, 当P3.7输出高电平时, 三极管T1截止, 没有电流流过线圈, 蜂鸣器不发声;当P3.7输出低电平时, 三极管导通, 这样蜂鸣器的电流形成回路, 发出声音。因此, 我们可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P3.7引脚输出波形的频率, 就可以调整控制蜂鸣器音调, 产生各种不同音色、音调的声音。另外, 改变P3.7输出电平的高低电平占空比, 则可以控制蜂鸣器的声音大小, 这些我们通过编程来实现。
⑶散热器电路。有些精密仪器设备工作时会产生大量的热量, 而这些多余的热量不能快速散去并聚积起来产生高温, 很可能会毁坏正在工作的设备, 这时散热器便能有效地解决这个问题。散热器的工作原理是热量从发热设备产生传至散热器再传到空气等物质, 通过热力学中的热量传递原则进行传递。在我们的温度超标自动散热系统整体设计中, 散热器设备风扇选用小功率的直流电机, 单片机通过对温度传感器的数据进行处理分析来决定继电器的通断, 进而控制散热风扇的运行。当检测到仪器设备温度超过预定值时, 散热设备自动接通运行, 通过扇叶的持续运转, 带动周围空气的不断流动, 从而对其所保护的仪器进行降温, 使其温度降到预定值以下, 保护仪器, 使其不被损坏。
4 软件设计
软件部分重点在于温度上限的调节以及继电器的实时控制。本系统程序主要包括主程序、DS18B20初始化、写DS18B20、读DS18B20的程序、温度转化子程序, 蜂鸣器报警、继电器控制等等。由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送, 在对DS18B20进行读写编程时, 必须严格保证初始化及读写时序, 否则将无法读取测温结果。
本系统是以DS18B20型数字温度传感器作为温度采集单元, 单片机STC89C52为数据处理中心, 蜂鸣器作为报警单元, 加上散热设备构成的, 设计难点在于DS18B20工作时序的分析和温度达到上限时及时报警并启动散热设备。系统硬件结构简单易行, 整机可靠性高, 控制准确, 性能良好, 方便人们对精密仪器温度的控制, 保证了仪器的正常运行, 其市场前景广阔, 具有可观的经济效益。
参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程, 2009.
[2]华成英.模拟电子技术基础.2011.
装载机独立散热系统的改进 篇5
装载机水散热器是由金属水管穿插散热片构成,各散热片之间留有约2～3mm的间隙。杂物容易随气流卷入散热器,卡在散热片的间隙中,人工清理非常困难。久而久之,杂物堵塞水散热器后会影响散热效果,严重时会造成发动机因过热而损坏。
2.改进方法
为了解决装载机水散热器容易堵塞问题,我们设计了风扇正反转散热系统。风扇正反转散热系统的结构、原理及选型如下所述。
(1)结构
安装风扇正反转散热系统,需将风扇与发动机连接部位脱离,风扇由风扇马达驱动,通过风扇马达正、反转,实现风扇正、反转。当风扇反转时，将堵在散热器上的杂物逆向从水散热器缝隙中吹出，从而节省了人力清扫水散热器的工作量,清理更加干净快捷
风扇正反转散热系统由电磁开关1、电磁换向阀(含溢流阀)2、风扇马达3、油水复合散热器4、风扇泵5等组成，如图1所示
风扇泵5从液压油箱吸油后输至电磁换向阀2,电磁换向阀的A、B油口分别通过高压油管连接风扇马达的A、B油口。风扇马达3输出轴安装风扇,风扇马达3壳体固定在发动机水散热器的支架上。电磁换向阀2的电源控制端连接装载机电路中,由电磁开关1控制电磁换向阀2的开、闭。
(2)原理
正常工作时,电磁开关1断开,电磁换向阀2无电流,风扇泵5输出的液压油经电磁换向阀2的A口进入风扇马达3的A口,风扇马达3带动风扇正转,风扇气流从发动机吹向水散热器,对水散热器进行降温。
清理水散热器时,为防止高速旋转的风扇逆转造成风扇马达损坏,需先将发动机熄火,再将装载机电路闭合,并接通电磁开关1,使电磁换向阀2得电。启动发动机后,风扇泵5输出的压力油,经电磁换向阀2的B口进入风扇马达3的B口,风扇马达3带动风扇反向转动,风扇气流变为倒吸方向,“从水散热器流向发动几,堵在散热片上的杂物随气流吹向车内,实现其清理功能。
完成水散热器清洗后,将发动机熄火,关闭电磁开关1。再次启动发动机,即可操纵装载几正常行驶和作业。
(3)选型
风谅扇正反转散热系统的关键是选配液压元件,通常根据发动机的功率及散热量选择合适的风扇,并达到相应的转速。由于该系统具有反转功能,风扇的叶片角度需重新调整,应保证风扇反转时风量达到正转风量的60%。我们以3r装载机为例,参考其发动机原风扇参数,用计算机进行模拟设计,计算出风扇正反转散热系统参数,计算结果如表1所示。风扇转速和功率确定后,风扇马达功率及排量即可得出,风扇马达参数如表2所示。根据风扇马达参数,再选择合适的电磁阀、风扇泵和高压胶管。
由于液压元件增多,液压系统负荷增大,必然造成液压油温度升高。如果不对风扇正反转散热系统进行冷却,就会造成液压元件损坏。因此在风扇正反转散热系统中接入油水复合散热器,保证风扇正反转散热系统工作的稳定性
风扇马达、电磁换向阀、电磁开关、风扇泵、油水复合散热器选型后,将其安装在装载机发动机前部。风扇正反转散热系统安装方法如图2所示。
装载机用智能温控散热系统 篇6
新型散热系统基于普遍应用的风冷散热形式,采用泵驱动马达的方式实现。控制散热系统的散热功率就要控制风扇马达的转速,其控制方式可灵活多样。
1. 定量式温控风扇散热系统
如图1所示,定量泵驱动定量马达,马达带动风扇进行散热。与马达并联的电比例溢流阀C(反比例)形成的旁通回路用来调节马达的转速。溢流阀E与单向阀F组成双向过载补油阀。系统控制原理为:在各散热器上设置温度传感器,控制器将采集的温度信号与设定值进行对比;当温度低于起调值时,系统不需要散热,控制器输出大电流,使电比例溢流阀C的溢流压力降至最低,即将风扇的转速降至最低;当温度超过起调值时,输出电流开始变小,电比例溢流阀C的压力开始上升,风扇转速开始增加;当温度达到设定的最高值时,输出电流降至最低,风扇转速达到最高。总之,是使散热功率始终与各系统实际散热需求相匹配,最终达到温控散热的目的,该系统更节能、噪音更低,更适应周边的环境。比如在昼夜温差大或北方寒冷地区,可大大缩短机器的预热时间。
该系统还具有散热器的“自洁”功能,即通过电磁换向阀D控制马达的正、反转,从而实现系统在“散热”和“自洁”两种模式下的自由转换。考虑到风扇一直向一个方向吹,散热器容易被空气中的杂质堵塞,最终降低散热器的散热效率。所以需要定期使风扇反转,将散热器中的杂质吹出,保持散热器的清洁和良好的散热效率,从而降低使用和维护成本。此功能广泛应用于风沙、灰尘大的矿山、港口、沙漠等恶劣工况,以及垃圾清理场、棉花加工现场等空中漂浮物多的场合。
正、反转控制过程为:逐渐加大电比例溢流阀C的输入电流至最大并延迟数秒,使溢流阀压力降至最低,风扇转速降至最低;电磁换向阀D得电,实现换向;逐渐减小电比例溢流阀C的输入电流,溢流阀压力增大,风扇转速增加,实现反转。正转过程亦然。上述控制过程中,之所以要延迟数秒,是由于从“电比例溢流阀得电”到“其开始动作”、到“溢流压力降低”、再到“马达转速降低”,均存在延迟。即电比例溢流阀C的输入电流加至最大时,马达转速仍然很高,此时换向必将产生很大的压力冲击。
由于始终会存在一定的溢流损失,该系统的节能效果会大打折扣。且电比例溢流阀的调节范围有限,那么在夜晚或者北方寒冷地区,会使机器预热时间加长,甚至出现过冷现象。
当然定量式温控散热系统还有很多种,比如图2所示就是另一种。该系统控制的关键是三通压力补偿器S,其作用:一是实现泵口压力始终跟随负载压力而变化;二是使进入马达的流量只受电比例换向阀R的控制。即用三通压力补偿器S使电比例换向阀R的入口和出口压差为定值,进入马达的流量只与电比例换向阀R的阀口开度有关且成正比关系。通过控制电比例换向阀R的电流大小,就可控制其阀芯位移,即控制其阀口开度,进而控制阀口流量,最终控制马达转速。值得注意的一点是,三通压力补偿器S可保持泵口压力始终跟随负载压力而变,从而实现节能,但这种节能仍然有限。
2. 变量式温控风扇散热系统
上述定量系统之所以节能有限,在于其时刻存在却无法消除的溢流损失。而应用变量系统,此问题可迎刃而解。如图3所示,发动机带动负载传感泵,通过中位的电比例换向阀控制风扇马达进行散热。这是一个典型的阀控泵系统,泵的排量由换向阀K阀口开度的大小控制,可实现按需供应。具体控制过程如图4所示。控制原理:在各散热器上设置温度传感器,控制器将采集的温度信号与设定值进行对比;当温度低于起调值时,控制器输出最小电流,电比例换向阀K处于中位,泵的斜盘处于最小摆角,输出最小流量,以维持泄漏和快速响应;当温度超过起调值时,控制器输出电流开始加大,电比例换向阀K产生位移,即有一个阀口开度,泵输出相应流量,马达输出一定的转速;当温度达到设定的最高值时,控制器输出电流达到最大,电比例换向阀K达到最大行程,即最大阀口开度,泵输出最大流量,风扇达到最高转速。该系统可实现泵输出流量始终与系统需求相匹配,没有任何溢流损失,从而实现节能。
该系统同样具备散热器的“自洁”功能,可通过电比例换向阀K实现马达的正反转。另外在散热泵足够大的情况下,该系统的散热能力将不受发动机转速的影响。即发动机转速下降时,泵排量将增大,保持输出流量一定,与散热需求相匹配。
关于散热系统的研究,控制风扇转速仅仅是第一步。装载机在不同工况下,各系统的温升速度是不同的。如推土工况下,传动系统温升较快;铲土工况下,液压系统温升较快。那么在散热器结构、面积、位置等因素一定的情况下,仅靠提高风扇转速,加大供风量,虽解决了某一系统的“过热”问题,同时也会造成其他系统“过冷”。目前多倾向于通过改变冷却介质的流量以平衡各系统的散热能力。
防爆变频器水冷散热系统研究 篇7
近年来,随着自动化技术的发展,煤矿井下用带式输送机、刮板输送机的功率等级越来越高,1 000kW以上的防爆变频器也得到了广泛的应用。但是,随着变频器功率等级的提高,元器件发热问题逐渐凸显。笔者通过调研发现,现阶段大功率防爆变频器主要通过普通水箱储水的方式散热。这种方式在井下温度较高时,进水温度可能高于变频器设定的保护值,容易引起器件的老化。本文通过对普通水箱的改进,将水箱中的水温控制在某一范围内,保证变频器的进水温度,从而降低变频器腔内的发热量。
1 井下防爆变频器散热方式选择
目前,防爆变频器的散热方式主要有风冷与水冷,可根据变频器功率大小及煤矿井下的实际情况,选择相应的散热方式。
1.1 风冷散热
对于功率较小的防爆变频器,主要采用强迫风冷的方式散热,其缺点是需要井下通风条件良好,并且防爆变频器散热风机容易吹入煤尘,可靠性相对较低。影响强制风冷效果的一个重要参数是风速,风速越大,散热器热阻越小,但流动阻力越大,所以适当提高风速有利于降低热阻,但风速超过一定值后再提高无多大意义。
1.2 水冷散热
对于功率较大的防爆变频器,主要采用水冷的散热方式,水冷散热效果高,可提高功率器件的稳定性[1]。
1.3 强制风冷+强制水冷方式
大功率防爆变频器壳体内部散热可选择轴流风机强制散热+水循环冷却。防爆变频器的外部散热系统应根据井下具体环境确定,在井下水量及温度均不能满足相应要求的前提下,可选择水箱加制冷系统供水。水箱主要用于供给变频器循环水,而制冷系统主要用于降低水箱温度。当水箱内温度高于某一设定值上限时,制冷系统工作,通过制冷来降低水箱内温度;当水箱内温度低于某一设定值下限时,制冷系统停止工作[2]。
2 水箱容量与制冷量的计算
根据实际测量,某品牌1 000kW/3 300V防爆变频器的散热量为40~50kW,按中间值45kW计算,则变频器每小时散热量Qs=45kW×3 600s=162 000kJ。设计制冷机每小时开停次数为3~4次,水箱内的水温从下限值15℃升高到上限值25℃的蓄冷量维持时间约为20min,则水箱的需冷量Qw=Qs/3=54 000kJ。根据热量计算公式可得Qw=4.2kJ/(kg·℃)×m×10℃=54 000kJ,可得水箱内可容纳的水的质量m=1 286kg,水箱容量V=1.286m3≈1.3m3。
为防止变频器停止使用时变频器及管路中的水流回水箱内,设计水箱的水容量为水箱内容积的60%,则水箱的内容积约为2.2m3。
根据煤矿井下相关要求,机组尺寸不能大于3 500mm×1 500 mm×1 800 mm,根据所选择的某品牌防爆变频器的制冷设备体积,可竖向设计外尺寸为1 200mm×1 350mm×1 500mm,保温厚度为30 mm,内尺寸为1 170 mm×1 320 mm×1 470mm,即总内容积为2.27m３。
箱体总面积为
传热系数K=1.13 W/(m3·℃),箱体两侧的温差t=25-15=10℃,则箱体隔热层漏热量为
设水箱壁跑冷量为Q１,R为制冷装置和管道冷损失补偿系数,直接冷却系统取1.07,间接冷却系统取1.12,本系统采用间接冷却系统,则R取1.12,总需冷量为
3 水箱的设计
整个防爆变频器水冷散热系统分为2个部分:一是氟利昂系统,为水箱中的水降温;二是水系统,保证水的循环。
3.1 降温原理
防爆变频器水冷散热系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器(板式换热器)组成,用管道将它们连接成一个密封的系统。系统中水温要求为15~25℃,本方案将水降低到15℃计算,则氟利昂的蒸发温度设定在10℃,使氟利昂与水有5℃左右的换热温差,确保水温可以降低到15℃。降温原理[3]:在蒸发器内处于低温低压的制冷剂液体与水发生热交换,吸收水的热量并汽化;产生的低压蒸气被压缩机吸入,经压缩后从高压侧排出;压缩机排出的高压气态制冷剂经过油分离器将冷冻油从制冷剂中分离出来后进入风冷冷凝器,被常温的空气冷却,凝结成高压液体,高压液体存入储液器,根据需冷量的大小供液。高压液体流经膨胀阀时节流,变成低压低温的气、液两相混合物,进入板式换热蒸发器,其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷,产生的低压气体再次被压缩机吸入。如此周而复始,不断循环。
3.2 水循环原理
降温后的水存入水箱内,经过水泵泵入变频器的冷却盘管中;水与变频器换热后,将变频器的热量带走,吸收变频器热量的水,直接进入水箱与水箱中的冷水混合;水箱中的水温升高到25 ℃时,制冷机启动为水箱中的水降温,降温后的水进入水箱,如此循环,为变频器降温。
水循环原理如图1所示。
4 散热效果验证
在环境温度为30℃左右时进行系统测试,控制系统出水温度在27~29℃之间,对变频器加载至1 MW,连续运行15h,得出温度曲线,如图2所示。由图2可见,虽然设定系统出水温度为27~29℃,而变频器检测出的进水温度略高于该温度,但不影响整体运行。通过水冷散热系统,控制变频器腔体温度不高于50℃[4],有效降低了变频器各器件的发热量,提高了各器件的可靠运行能力。
5结语
分析了目前主要的井下防爆变频器散热方式,通过计算水箱容量与制冷量,制作了样机,在地面试验过程中,散热系统效果良好。
参考文献
[1] 傅林,黄文涛.矿用隔爆型变频器散热方式的选择[J].变频器世界,2009(7):79-81.
[2] 苗盈瀛.大功率隔爆型变频器散热系统开发[J].煤矿机械,2013,34(6):59-61.
[3] 金文,逯红杰.制冷技术[M].北京:机械工业出版社,2009.