王 飞，张浏骏，许佩佩

(上海新时达电气股份有限公司， 上海 201801)

不同防护等级风扇罩的损失特性研究*

王 飞，张浏骏，许佩佩

(上海新时达电气股份有限公司， 上海 201801)

通过实验和仿真数据对比，文中提出了一种包含不同防护等级风扇罩的风扇一体化建模方案。用给定风扇罩的通风率和风扇的P-Q特性曲线代替单个风扇罩的损失特性曲线，从而在风扇罩损失特性曲线未知的情况下也可以完成散热仿真设计，并且仿真和实测数据的误差在5%以内。风扇罩为出风口即风扇的工作方式为抽风时，风扇罩的存在对风扇的风量和风压影响均较大。文中提出的仿真方案和计算结果可为高防护等级控制柜的热设计及热仿真提供仿真方法和参考数据。

防护等级；风扇罩；损失特性；热仿真

引 言

随着经济社会的发展，变频器作为一种变频节能设备被广泛应用于各行各业，并且不同行业和不同应用领域对变频器使用环境的要求也不一致[1]。如矿山行业要求变频器能在灰尘聚集和腐蚀性较强的环境中使用，空调行业要求变频器能在户外多尘多雨的环境中使用。为了适应各种恶劣且多变的使用环境，高防护等级的变频控制柜应运而生。高防护等级(一般为IP54及以上)的变频控制柜可以根据不同的防护等级调整自身设计，变频器只需要满足IP20的防护等级即可[2]。

据资料统计，电子元器件的温度每升高2 ℃，可靠性下降10%，温升为50℃，寿命只有25℃时的1/6[3]。因此，电子元器件的有效散热是保障其可靠性工作的关键，散热问题就成了电气控制柜设计需要考虑的重要因素。尤其高防护等级的控制柜，一方面要求具有防尘防水的性能；另一方面又要求通风散热性能稳定、可靠，如此高标准的要求给热设计工作带来很大的困难[4]。目前主流的热设计方法是根据系统的总功耗初步计算所需散热器的尺寸以及通风量，然后利用热仿真软件(Icepak、Flotherm等)修正热设计方案[5]。热仿真时，风扇的P-Q特性曲线可以根据风扇规格书确定，但是包含高防护等级风扇罩的风扇特性曲线一般无法获得，需要在建模时分别单独考虑风扇和风扇罩这两个因素。如果风扇罩的损失特性曲线不准确，就会影响仿真的准确度和精度，乃至影响整柜的散热设计。

本文通过实验和仿真数据对比，提出了一种包含不同防护等级风扇罩的风扇一体化建模方案。用给定风扇罩的通风率和风扇的P-Q特性曲线代替单个风扇罩的损失特性曲线，从而在风扇罩损失特性曲线未知的情况下也可以完成散热仿真设计，并且仿真和实测数据的误差在5%以内。本文提出的仿真方案和计算结果可为高防护等级控制柜的热设计及热仿真提供仿真方法和参考数据。

1 实验研究

本文的实验系统由散热器、加热模块、风扇和不同防护等级风扇罩组成，如图1所示，该模型属于系统级散热。

图1 实验方案(含测点位置)

作为主要发热源的加热模块，其散热途径主要有两种：1)加热模块通过导热硅脂将热量传导到散热器；2)外界空气通过风扇强制对流换热带走散热器热量。实验用散热器宽度W=204 mm，高度H=87 mm，长度L=152mm，基板厚度tb=10mm，翅片厚度t=1 mm，翅片间隙s=3 mm，翅片个数Nf=49个。为了使实验具有代表性，选取3种常用风扇：科硕G1225Y24BALBxy-7、科硕R1238H24BALBxy-7和台达AFB1224GHE-C，风扇的工作方式为抽风或吹风。散热器上加热模块尺寸为120 mm × 60 mm × 24 mm，内含两根加热棒的尺寸均为长l=120mm，半径r=4 mm，单根加热棒的功率为P=360 W。

3款风扇工作方式为抽风和吹风，风扇罩的形式分为高防护等级(IP54)和低防护等级(无空气过滤棉，IP34)。

首先，对科硕G1225Y24BALBxy-7风扇做抽风和吹风温升实验。风扇工作方式为抽风时，风扇罩为出风口；风扇工作方式为吹风时，风扇罩为进风口。根据流体流动时由于黏性力造成的能量损失，流动中单位重力流体的损失用hf表示[6]：

(1)

式中：ξ为损失系数，由流动状态决定；l为流动轨迹长度；d为流动直径；v为来流速度。从式(1)可以看出，流动损失与来流速度的平方成正比，即在流动状态一致时，来流速度越大，流动损失也越大。

实验只改变了风扇的工作方式，风扇与风扇罩的相对位置并没有改变。当风扇罩为进风口时，外界空气先流经风扇罩再流经风扇，流经风扇罩的速度较小；当风扇罩为出风口时，空气先流经风扇再流经风扇罩，流经风扇罩的速度较大。因此，风扇罩为出风口，即风扇的工作方式为抽风时，风扇罩的存在对风扇的风量和风压影响均较大，为后续仿真确定风扇罩的通风率提供了参考数据。

同时考虑到高防护等级风扇罩和低防护等级风扇罩的应用情况，实验测试了2种风扇罩(下文称高防护等级风扇罩为IP54风扇罩、低防护等级风扇罩为IP34风扇罩)的温升。图2为2种风扇罩配合科硕G1225Y24BALBxy-7风扇时的温升数据。

图2 不同防护等级风扇罩温升数据(G1225Y)

从图2可以看出，IP54风扇罩的使用会使温升数据有明显的上升，这也可以解释为IP54风扇罩为了达到防尘效果(并不能完全阻止灰尘进入，但是灰尘的进入量不会对设备造成伤害)，一般会在风扇罩内部增加空气过滤棉，空气过滤棉的阻力偏大，从而造成风扇的风量和风压损失较大，进而影响散热能力；但是IP34风扇罩的防尘等级较低(球体直径为2.5 mm的固体不应完全进入)，只需要单独的风扇罩即可满足要求，使系统的散热能力较IP54有很大提升。图3和图4分别是IP54风扇罩和IP34风扇罩配合科硕R1238H24BALBxy-7风扇和台达AFB1224GHE-C风扇时的温升数据。

图3 不同防护等级风扇罩温升数据(R1238H)

图4 不同防护等级风扇罩温升数据(AFB1224GHE-C)

从图3和图4也可以看出，不仅风扇罩的防护等级会影响风扇的散热能力，风扇的工作方式也会影响其散热能力。相同防护等级工况下，工作方式为抽风的风扇的温升要明显大于工作方式为吹风的风扇，这也验证了上文所分析的风扇罩为出风口，即风扇的工作方式为抽风时，风扇罩的存在对风扇的风量和风压影响均较大。

2 仿真对比

Icepak是常用的电子电气设备热仿真软件，其可以减少热设计成本，提高产品的一次成功率[7]。由于本文主要研究不同防护等级风扇罩的阻力损失，不涉及IGBT功率模块，因此对仿真模型进行了简化处理。

图5是本文提出的包含高防护等级风扇罩的风扇一体化仿真模型，仿真模型重点关注了风扇及不同防护等级风扇罩的建模。其中，风扇使用Icepak中自带的风扇模型，风扇罩简化为一个腔体和一个grille的组合体，不同的grille通风率代表不同的防护等级。采用这种建模方案只需按照给定的通风率就可以在风扇罩损失特性曲线未知的情况下完成散热设计及散热仿真。图6为一种包含高防护等级风扇罩的仿真模型所计算出的温度云图。

由于仿真模型中涉及到用不同的grille通风率代表不同的防护等级，本文根据经验和迭代推荐了风扇抽风和吹风时的通风率大小。

图5 包括高防护等级风扇罩的仿真模型

图6 仿真模型温度云图

风扇IP54抽风IP54吹风IP34抽风IP34吹风G1225Y0.250.270.450.60R1238H0.210.250.450.60AFB0.230.250.450.60

根据表1推荐的grille通风率输入值，将输入值带入到Icepak软件中计算。图7和图8分别是IP54防护等级和IP34防护等级工况下G1225Y风扇散热仿真与实测对比。从图7和图8可以看出，仿真结果与实测结果非常接近，误差小于5%，即验证了本文推荐的高防护等级风扇罩和风扇一体化建模方案具有实际应用价值。

图7 IP54防护等级温升仿真与实测对比(G1225Y)

图8 IP34防护等级温升仿真与实测对比(G1225Y)

图9和图10分别是IP54防护等级和IP34防护等级工况下R1238H风扇散热仿真与实测对比。

图9 IP54防护等级温升仿真与实测对比(R1238H)

图11和图12分别是IP54防护等级和IP34防护等级工况下AFB1224GHE-C风扇散热仿真与实测对比。该对比验证了本文提出的仿真模型的准确性，即用给定风扇罩通风率和风扇P-Q特性曲线代替单个风扇罩的损失特性曲线，从而在风扇罩损失特性曲线未知的情况下也可以完成散热仿真设计，并且仿真精度较高，具有指导结构设计的价值。

图11 IP54防护等级温升仿真与实测对比(AFB1224GHE-C)

图12 IP34防护等级温升仿真与实测对比(AFB1224GHE-C)

3 结束语

随着变频器应用范围的逐渐扩大，高防护等级控制柜的应用领域也越来越多。高防护等级控制柜要求具有防尘防水性能的同时又要散热良好，高标准的要求给控制柜热设计带来很大困难。另外，作为达到高防护等级所必需的风扇罩，其损失特性曲线一般无法获得，这就要求在仿真建模时分别考虑风扇和风扇罩，如果风扇罩的损失特性曲线不准确，将会影响仿真的准确度和精度，以至于影响整柜的散热设计。

针对上述问题，本文提出了一种包含高防护等级风扇罩的风扇一体化建模方案。用给定风扇罩的通风率和风扇的P-Q特性曲线代替单个风扇罩的损失特性曲线，从而在风扇罩损失特性曲线未知的情况下也可以完成散热仿真设计，并且仿真和实测数据的误差在5%以内。另外，风扇罩为出风口，即风扇的工作方式为抽风时，风扇罩的存在对风扇的风量和风压影响均较大。

[1] 王丹, 毛承雄, 范澍, 等. 高压变频器散热系统的设计[J]. 电力电子技术, 2005, 39(2): 115-117.

[2] 王令霞, 田改侠, 王震明. 钣金结构机柜防尘防水设计的研究[J]. 黑龙江信息科技, 2015(27): 107-108.

[3] 陶高周, 陆游, 周杰. 小功率光伏逆变器自然对流散热研究[J]. 电子机械工程, 2014, 30(3): 19-23.

[4] 邱育群, 原志锋, 陈德庚, 等. 通用变频器在户外高温环境下可靠运行的设计方案[J]. 制冷与空调, 2014, 14(6): 124-126.

[5] 王飞, 张浏骏, 许佩佩, 等. 海拔高度对变频器散热影响的研究[J]. 电子机械工程, 2016, 32(1): 9-15.

[6] 孙文策. 工程流体力学[M]. 3版. 大连: 大连理工大学出版社, 2007.

[7] 陈洁茹, 朱敏波, 齐颖. Icepak在电子设备热设计中的应用[J]. 电子机械工程, 2005, 21(1): 14-16.

王 飞(1990-)，男，硕士，主要从事电力电子设备热设计工作。

Research on Loss Characteristics of Fan Shrouds with Different Protection Level

WANG Fei，ZHANG Liu-jun，XU Pei-pei

(ShanghaiSTEPElectricCo.,Ltd.,Shanghai201801,China)

Through comparing experimental data and simulation data, a fan integrated modeling scheme including fan shrouds with different protection level is proposed in this paper. By replacing the loss characteristics curve of a single fan shroud with the ventilation rate of given fan shroud and the fan P-Q characteristics curve, thermal simulation design can also be completed without knowing the loss characteristics curve of fan shroud, and the error between simulation and test data is within 5%. When the fan shroud is at the outlet (fan works in exhaustion mode), the presence of fan shroud has larger influence on both fan air volume and pressure. The simulation and the results presented in this paper are expected to provide simulation method and reference data for the thermal design and thermal simulation of control cabinet with high protection level.

protection level; fan shroud; loss characteristics; thermal simulation

2016-07-21

国家科技支撑计划资助项目(2014BAF08B05)

TK124

A

1008-5300(2016)05-0008-04