智能礦石分選機傳感器機箱散熱仿真分析

閔湘川，雷 鋼，曾現勇，歐陽周，殷文俊

（1.湖南軍芃科技股份有限公司，湖南長沙410006；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410083）

軍芃科技的智能礦石分選機是一種智能化在線式的礦石分揀設備[1]，能快速精確地揀選礦石，因此被廣泛于采礦、有色金屬、冶金等行業。傳感器是智能礦石分選機分揀系統內的核心部件之一，安裝在傳感器盒內，其作用是將光信號轉換為電信號，將預處理后的數字信號傳輸至電腦，并存儲在電腦中。傳感器在工作時，部分電能轉化為熱能，以熱量的形式散發，使得機箱的溫度升高。當機箱溫度達到約50℃時，傳感器的工作性能將受到極大地影響甚至被燒毀。目前機箱散熱方案很多，水冷具有噪音小、效率高的優點，但是缺點是維護成本高，易漏水。而風冷方式是較為常見的一種，優點是價格實惠，易于維護，性能穩定。

針對傳感器機箱進行散熱仿真分析，考慮風扇風向設置和機箱高度對傳感器機箱穩態下的溫度場影響，對不同條件時的傳感器機箱建立仿真模型，利用Icepak 電子熱分析軟件對其進行數值設定，仿真計算得到了穩態下的溫度分布，確定了較好的傳感器機箱的散熱設計方案。

1 熱傳導理論

熱量傳遞的基本規律是存在溫度差的兩個物體之間，隔熱層稀薄或者無隔熱層，那么熱量就會從溫度較高的物體傳遞到溫度較低的物體中，直到它們的溫度相同處于相對熱平衡狀態為止。導熱、對流和輻射換熱是熱量傳遞的3種基本方式。傳感器機箱散熱過程主要是導熱。換熱過程的基本的計算公式[2]為：

2 模型建立

2.1 物理模型

使用三維軟件Solidworks 對傳感器機箱進行建模。模型由傳感器上機箱和下機箱組成。上機箱中安裝有特定光譜的光源，下機箱內安裝有傳感器。上箱體和下箱體之間用2根風管連接，傳感器與光源共用同一臺空調，如圖1所示。

圖1 傳感器箱體示意圖

傳感器的外形尺寸為1523mm×156mm×66mm。模型包括機箱外殼、鋁板、數據處理_PCB板、數據處理芯片、傳感器_PCB板、傳感器數據轉換芯片。其中傳感器_PCB板、傳感器數據轉換芯片均有幾十個以上。主要發熱元器件是數據處理芯片和傳感器數據轉換芯片。

2.2 仿真模型

根據傳感器機箱散熱問題進行了物理建模，然后進行數值模擬計算。傳感器上的發熱元器件主要有傳感器芯片和傳感器數據轉換芯片。傳感器芯片單個發熱量是1.5W，傳感器數據轉換芯片單個發熱量是1.2W。傳感器機箱的總熱功耗來源于傳感器芯片和傳感器數據轉換芯片，經計算可得總熱功耗Q熱=31.5W,機箱熱穩態下散熱表面的熱流密度的計算為：

式中：A——機箱散熱總表面積，經三維模型測量可得A=9420.5cm2。

計算可得機箱熱穩態下散熱表面的熱流密度φ為3.344×10-3W/cm2。

傳感器工作的環境溫度為35℃，根據傳感器機箱內部芯片模塊的耐高溫性能，擬定最高溫度為50℃，所以其內部溫升應控制在15℃范圍之內。電子設備在此條件下，空氣自然對流散熱的熱流密度閾值一般為（2.4～6.4）×10-2W/cm2。根據不同冷卻方法的熱流密度與溫升關系，由計算結果可以看到，機箱熱穩態下的熱流密度φ小于自然對流散熱的閾值，機箱自然散熱最高溫度會超過50℃，需要改進散熱方式。

ANSYSIcepak 軟件擁有自建模、高級建模等多種建模方式。CAD 建模結構簡單，數據存儲量小，生成模型比較容易。本文采用CAD 模型導入和軟件自建模方式來創建仿真三維模型。使用Workbench平臺將簡化后的設計模型導入ANSYSIcepak 軟件；在Icepak中通過自建模方式建立機箱的熱分析模型；然后在ANSYSIcepak中設置參數：散熱方式為自然冷卻；機箱內環境溫度設為35℃；傳感器機箱內的空氣對流為自然對流，流動狀態為湍流。

根據傳感器機箱的芯片的位置布置，考慮到進風口和出風口的位置設定可能會對散熱造成影響，所以創建4種不同出風和進風口的模型，如圖2所示。分別為左邊風扇設置為出風，右邊風扇設置為進風時；左邊風扇設置為進風，右邊風扇設置為進風時；左邊風扇設置為出風，右邊風扇設置為出風時；左邊風扇設置為進風，右邊風扇設置為出風時。選用模型的其他因素條件為管道大小為120mm，傳感器箱體高度為218mm，風扇風量為70cfm，風扇風壓為29Pa，然后進行網格劃分及計算，并對比分析結果。

圖2 4種不同風扇方向模型圖

同時考慮到傳感器箱體的高度可能會影響散熱情況，所以建立高度分別為198mm、218mm、238mm時的模型，如圖3所示。選用模型的其他因素條件為左邊風扇設置為進風，右邊風扇設置為出風，管道大小為120mm，風扇風量為70cfm，風扇風壓為29Pa。

2.3 網格劃分及計算

圖3 3種不同高度傳感器箱體高度模型圖

對以上所有建立的傳感器機箱模型，采用Icepak電子熱分析軟件提供的六邊形非結構化網格做網格劃分處理。劃分網格后得到447846 個網格單元，468834個節點，如圖4所示。網格質量檢查結果的面對齊率項范圍為0.414407～1，網格體積項范圍為（9.22974～5.62097）×10-12,網格偏斜度項范圍為0.265857～1。設定機箱內環境溫度為40℃，設定重力加速度為9.8m2/s，設置迭代步數為200，求解計算流體場和溫度場變量。

圖4 網格劃分圖

3 結果分析

對上述的不同出風口和進風口的傳感器機箱模型進行熱仿真計算，得到溫度云圖，左邊風扇設置為出風，右邊風扇設置為進風時傳感器最高溫度為48.4587℃；左邊風扇設置為進風，右邊風扇設置為進風時傳感器最高溫度為56.9488℃；左邊風扇設置為出風，右邊風扇設置為出風時傳感器最高溫度為56.5919℃；左邊風扇設置為進風，右邊風扇設置為出風時傳感器最高溫度為46.0879℃。由于出風口的溫度更高且傳感器數據轉換芯片的熱功耗比傳感器芯片更高，所以當出風口靠近傳感器數據轉換芯片時，出風口能迅速帶走傳感器數據轉換芯片產生的熱量，所以能快速降低機箱內的溫度。

對不同的傳感器機箱高度模型進行熱仿真計算得到的結果如圖5 所示，傳感器箱體高度為198mm 時傳感器最高溫度為42.4903℃；傳感器箱體高度為218mm時傳感器最高溫度為46.0879℃；傳感器箱體高度為238mm 時傳感器最高溫度為45.8802℃。由于傳感器機箱高度越小，機箱體積越小，空氣流動加快，所以在整體表現為機箱高度越小，最高溫度越低。

4 結論

通過傳熱理論計算，根據傳感器機箱內部的散熱方式，運用ANSYS Icepak軟件進行了不同因素的熱仿真計算，根據理論分析與仿真計算的結果，可以得到如下結論：

圖5 3種不同傳感器機箱高度的仿真折線圖

（1）出風口靠近傳感器數據轉換芯片，進風口遠離傳感器數據轉換芯片時，傳感器溫度最低，為42.4903℃。

（2）相比傳感器箱體高度為218mm 和238mm 時，傳感器箱體高度為198mm 時傳感器溫度最低，為46.0879℃。

（3）通過對傳感器的散熱仿真分析，得到了滿足工作溫度要求的機箱熱設計結構，即傳感器箱體高度為198mm 且出風口靠近傳感器數據轉換芯片，進風口遠離傳感器數據轉換芯片。仿真結果為智能礦石分選機傳感器機箱的設計提供了參考和依據。