2024年3月25日发(作者：衡妮子)
安全级DCS机柜散热设计方法研究
陈伟;刘明星;吴霄
【摘 要】机柜热设计是整个机柜设计中的重要组成部分,合理的热设计方法能够减少
设计过程中的重复校核工作,准确找出设计中的薄弱或者不合理的环节并及时进行设计修
改.该文将传统的理论计算方法与最新的仿真计算方法相结合,介绍了机柜的整套热设计方
法.工程实践表明该设计方法合理有效.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)012
【总页数】5页(P76-80)
【关键词】安全级DCS;机柜散热设计;仿真计算
【作 者】陈伟;刘明星;吴霄
【作者单位】中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都610213;中国核动力研
究设计院设计所仪控生产部,成都610213;中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都
610213
【正文语种】中 文
【中图分类】TL362
0 引言
机柜良好的散热能力，意味着机柜中的设备具有良好的运行环境。目前安全级DCS
电气机柜的散热设计的方式大多采用传统的理论计算和行业经验进行设计。设计过程中难
免会出现裕量过大或者不足的问题，安全级DCS对设备的要求较高，而传统的试验方式
又难以提前发现设计过程中的风险项，如果进行反复试验整改将会提高研发成本。
为实现安全级DCS机柜热设计的科学性、合理性及经济性，可以采用传统理论计算
与仿真计算相结合的方式对机柜进行科学的热设计。传统的理论计算主要用于对机柜的散
热进行预设计，包括风道布置，风扇选型等，而仿真计算主要用于校核机柜风道设计以及
风扇流量的合理性、查找设计中的薄弱环节以及计算关键点的温度值，并通过仿真计算结
果对设计进行改进。
本文根据NASPIC平台安全级机柜的设计要求开展机柜的散热设计，并按照设计要
求进行了散热性能的校核。
1 设计输入
根据上层需求，机柜的尺寸为800mm×800mm×2200mm（宽×深×高），柜内的
功耗不超过1000W，机柜工作时，进出风口的温差不超过15℃，同时柜内设备能够满足
在25℃和55℃环境条件下能够正常工作。
2 机柜自然散热性能评估
参考密封电子设备机箱的热设计，将密闭机箱的散热功耗计算方法运用于机柜的散热
功耗计算，如公式（1）所示[1,2,6]。根据系统配置，整个机柜内部的功耗不超过1000W，
由于机柜的底部在现场需要焊接在地面，机柜顶部为线缆进线空间，所以机柜主要的散热
面为4个侧面，忽略顶部和底部的散热能力，带入公式（1）计算出机柜的散热功耗P。
式中：P —机柜的散热功率，W。
SS —机柜侧面内壁的有效面积，m2。
St —机柜顶部的表面积，m2。
Sb —机柜的底面积，m2。
Δt —机柜的温升值，℃。
σ —斯忒潘-玻耳兹曼常数，σ=5.67×10-5W/(m2·℃)。
ε —辐射系数。
T —机柜的表面温度，℃。
Ta —环境温度，℃。
假设在25℃环境条件下，由于机柜表面材质为镀锌钢板，所以其辐射系数ε为0.23。
根据上述计算公式，机柜的自然散热功耗约为575W，并不能满足1000W的散热要求。
3 散热方式的选择
机柜的散热方式除自然冷却（对流和辐射）方式以外还有强迫空气散热、浸没自然对
流冷却、浸没沸腾冷却和强迫水冷等散热方式，具体可以根据热流密度与温升要求，按图
1所示的关系进行选择，该方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却[2,8]。热流密度φ
计算公式为：
式中：φ—机柜的热流密度，W/cm2。
P—机柜内部功耗，W。
S—机柜的散热表面积，cm2。
通过计算机柜热流密度约为0.022W/cm2，机柜的温升要求为15℃，通过在图1中
描点可知，机柜散热方式已经不适合使用自然冷却散热，保险起见机柜的散热方式使用强
迫空气冷却散热。
4 散热解决方案制定
散热解决方案需要明确机柜内部的热源布置、通风位置（包含风扇位置及风量）确定
以及气流走向。
4.1 热源布置
安全级DCS机柜内部的热源主要有控制机箱，机柜内部电气元件以及供电的电源模
块，机柜输入电源的滤波器，其中机柜根据内部安装的机箱类型分为3U机柜与6U机柜，
3U机柜中最多安装5个3U机箱，机柜内的电源模块的数量最多为10个，滤波器的数
量至少为2个，同时机柜内部还有若干发热量可以忽略不计的空气开关、终端模块以及控
制线缆等装置，各设备的发热功耗如表1所示。
图1 冷却方法的选择Fig.1 Selection of cooling methods
表1 各设备发热功耗Table 1 Heat dissipation power of each equipment设备类
型功耗（W）数量机箱150 3～5电源9.6 10滤波器70 2
机柜内部的热源放置遵循从上到下，发热功耗依次降低的原则。发热量大而集中的热
源能够快速将空气加热，使空气的温度升高，受热后的空气密度降低，热空气将会向柜顶
流动，柜顶空气将会形成负压，柜底的冷空气将会向柜顶流动，从而形成一个自然对流的
风道。
考虑到机柜与机箱均参照19寸基准尺寸进行设计。因此，机箱在机柜内部选择垂直
堆放，由于机箱的发热量较大，机箱在堆放的过程中需要间隔一定的距离，同时在机箱与
机箱之间增加导流板，将经过机箱后的热气流导向机柜的后端，同时使冷却机箱的冷空气
从机柜的前端进入，避免机箱的发热相互影响。
由于电源模块的体积小，发热量大，数量多，所以将电源模块放置在机柜顶端。电源
模块与机箱之间可以放置发热量几乎可以忽略不计的空开等设备。
由于滤波器的散热面积较大，能够承受的温度较高。因此，将滤波器放置在机柜的底
部。综上所述，机柜的冷热空气将被机柜内的设备分隔在机柜的前后端。
4.2 通风设置
4.2.1 通风孔位置确定
图2 通风机形式Fig.2 Fan type
图3 机柜风道Fig.3 Cabinet air duct
根据热源布置方案可以确定的是机柜的后端为热气流，正面为冷空气，进出风口的位
置遵循最远距离规则，满足气流能够通过机柜内部的主要发热区域。机柜最底端的热源为
滤波器，最顶端的热源为电源。因此，将机柜的进风口设置在机柜的前门下端，使冷空气
从进入机柜开始就能够对柜内的电气元件进行冷却降温。机柜的出风口设置在机柜后门的
顶端，使机柜内的热气流在柜顶能够被充分地排出机柜外。
4.2.2 风扇选型
由于机柜内部的热源垂直分布于机柜的中部，比较分散，所以整个机柜采用抽风冷却
的方式对机柜进行散热。该方式能够保证冷空气能够均匀地通过各个热源，并及时将机柜
内的热空气排出柜外。目前市面上主流的风扇有轴流风扇和离心风扇，轴流风扇的进气口
与出风口在同一轴向上，离心风扇的进气口与出风口呈垂直分布，如图2所示。由于机柜
的后门上安装风扇的安装面与热源和外界环境为平行面，因而散热风扇只能够选择轴流风
扇。整个机柜将会形成如图3所示的气流通道。
4.2.3 风量确定
机柜风量的确定是根据机柜散热所需的风量来进行选择，首先保证散热风扇的风量满
足要求，然后再对风扇的静压进行校核。空气的质量流量qm与发热量Фt、温升Δt1之
间的关系，可以表示为[3,8]：
根据质量、体积与密度的关系可以推导出风机的风量Qf与空气的质量流量qm之间
的关系为：
式中：qm —空气的质量流量，kg/s。
Qf —风扇风量，m3/min。
Фt —机柜内部功耗，W。
Δt1 —机柜内部的允许温升，℃。
cp —空气的定压比热容，J/(kg·℃)。
ρp —空气的密度，kg/m3。
由于机柜温升不超过15℃，环境温度在25℃情况下，因而假定机柜达到热平衡后的
平均温度为30℃，空气的密度为1.165kg/m3，由于机柜的防护等级为IP30，且具有电
磁屏蔽要求，所以在风扇的出风口上安装了防尘棉和屏蔽网，防尘棉和屏蔽网的综合通风
率为0.4，通过计算，机柜需要的散热风量约为0.0585m3/s（210.62m3/h）。
散热风扇的风量确定后还需要保证风扇的风压必须大于机柜内部系统的压力损失，以
保证机柜内部的所有元器件散出的热量被内部散热风扇及时排除机柜外。当系统流体的速
度和方向发生变化时，所引起的局部压力损失Δpc由公式（8）计算。
式中：Δpc —局部压力损失，Pa。
∑ζ —局部阻力损失系数或几个损失系数之和，其值见表2分支管局部阻力系数。
ν —空气的平均流速，m/s。
ρ —空气的密度，kg/m3。
表2 分支管局部阻力系数[4]Table 2 Local resistance coefficient of branch
pipeline[4]注：① 各种分流及合流情况，可按表2进行组合来确定阻力系数；② 计算公
式中的流速应为主管道内流体的平均流速。?
根据机柜的风道设计，机柜内的通风路径简化之后如图4所示。各处的阻力损失系数
见图4。
图4 通风风道简化Fig.4 Cabinet air duct is simplified
表3 柜内各处风速Table 3 Around the wind seed in cabinet位置截面积（m2）
风速（m/s）平均风速（m/s）进风口0.06435 0.91出风口0.01152 5.08 2.12机柜中间
位置0.16 0.37
表4 风扇连接方式与参数的关系Table 4 Relationship between fan connection
type and parameters参数串联并联静压各风扇静压之和与静压最大的风扇相同风量与风
量最大的风扇相同各风扇风量之和
机柜内部风道的平均风速取，进风口、出风口、机柜内部风速最小处3个位置的平均
速度。假定风扇通风尺寸为120mm×120mm，使用两个风扇，机柜出风口面积为
0.0288m2，考虑防尘棉和屏蔽网综合通风率，机柜进风口面积为0.06435m2，机柜截
面积为0.64m2，由于机柜内部会安装电气设备，预估通风率为0.25。因此，截面上的有
效通风面积约为0.16m2，则机柜内部各处的风速如表3所示。通过计算，系统的压力损
失约为31.4Pa。
综上所述，如果机柜采用单个风扇进行散热，风扇的风量应不低于210.2m3/h，静
压不低于31.4Pa。当选型时单个风扇不能满足要求时，可以采用两个或者两个以上的风
扇进行串联或者并联，串联或并联之后的参数变化规律如表4所示。
经过初步分析，本设计采用风量为110m3/h，静压为40Pa的两个风扇进行并联，
对机柜进行强迫空气散热，以达到机柜散热要求。
图5 简化示意图Fig.5 Schematic diagram of thecabinet after simplification
5 仿真分析
理论计算能够保证机柜的散热风扇满足散热要求，但是不能够完全确认气流是否能够
对机柜中所有的热源进行有效冷却，在本设计中引入了散热仿真计算，进一步确认机柜内
的风道形成情况以及关键位置的温度值。
5.1 条件设置
散热仿真分析主要是基于Flotherm散热仿真软件对机柜内部主要发热器件的温度以
及整个机柜的通风风道进行仿真计算，在进行仿真计算之前需要对机柜及机柜内部的情况
进行建模和边界条件设置。
机柜、机箱、电源模块及滤波器的大小按照实际尺寸进行设置，开孔处使用
Flotherm中的打孔板模块进行简化设置，同时开孔率与实际情况保持一致。热源统一设
置在发热的PCB上，热功耗的大小与实际情况保持一致。机箱的安装柱使用一块平板进
行简化，同时将机柜的前后区域进行隔离。各部件的材质与实际情况保持一致。机柜中的
屏蔽丝网使用打孔板模块进行简化设置，开孔率与实际情况保持一致。
假定机柜上使用两个风量为155m3/h，静压为25Pa的风扇并联进行散热。因此，
在机柜的后门上设置两个与实际风量和静压值大小相同的风扇，风扇尺寸假定为
120mm×120mm×38mm，转轴尺寸假定为40mm。
将环境温度设置为25℃和55℃，根据热仿真计算的经验将空气的热交换速率设置为
6W/(m2·K)，在进行仿真计算前，在机柜及机箱的进出风口处增加了温度监测点，监测主
要位置的温度。
使用局域网格对机箱中的PCB进行网格划分，网格膨胀系数设置为10%，其他位置
使用全局网格，整个求解域的网格保证平滑过渡，相邻网格之间的尺寸相差控制在50倍
以内，所有网格的长宽比控制在50以内[5,7]。
5.2 计算结果
图6 温度场Fig.6 Temperat field
表5 监控点温度Table 5 Monitor point temperature?
表6 温度对比Table 6 Temperature contrast?
通过仿真计算，得到了机柜以及内部设备的温度场及气流流向图，如图6、图7所示。
并得到了监控点的温度值，如表5所示。通过图6温度场可以看出机柜内部的最高温度
出现在柜顶的电源模块，内部的最高温度能够达到60℃，外壳温度为50℃左右。
根据计算结果可见机柜内部的设备在25℃和55℃环境条件下均能满足使用要求，机
柜内部的风道形成情况良好。因此，机柜的热设计满足设计要求。
6 实测验证
在机柜进行长期稳定性试验时对机柜内部的关键位置进行了实际温度测量，实测温度
值与仿真计算温度值的对比如表6所示。通过表中的数据可见，当实际测量时环境温度达
到25℃时，仿真计算的结果与实测结果比较接近，说明仿真计算方法具有一定的参考性。
7 结论
图7 气流流向Fig.7 Air flow
本文设计了安全级DCS机柜散热通道，对内部的发热设备进行了合理布局，并根据
内部设备的发热量分析选择散热冷却方式，通过理论计算得出散热风扇所需的风量和静压，
最后根据设计要求，按照实际情况建立仿真计算模型。
根据仿真及结果，机柜内部的气流流向与设计意图一致，在常温和高温下均能满足设
备工作温度的要求，可以判定机柜的散热设计合理，且满足设备使用要求。
本文探讨的整套机柜散热设计流程，主要包括了理论计算与仿真验证两部分，其中理
论计算能为设备散热方式选择提供准却的依据，仿真计算能够对理论计算的结果进行有效
地校核，同时能够对设计优化提供指导意见，两部分相结合能够有效保证电子设备热设计
的科学性和经济性。
参考文献：
【相关文献】
[1]电子设备机箱·机柜·控制台设计手册：第一版[M].北京：化学工业出版
社,2012,2(12)：465.
[2]中华人民共和国国家军用标准 电子设备可靠性热设计手册：GJB/Z 27-92[S].
[3]余建祖,高红霞,谢永奇.电子设备热设计及分析技术：第2版[M].北京：北京航空航
天大学出版社,2008,11(5)：110.
[4]赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社,2009,3(4)：85.
[5]李波.FloTHERM软件基础与应用实例[M].北京：中国水利水电出版社,2014,5(6)：
215.
[6]杨世铭, 陶文铨.传热学： 第四版[M].北京： 高等教育出版社,2006,8.
[7]廖明.电气柜内发热元件热设计数值模拟研究[D].南京：南京航空航天大学,2012.
[8]吕家森.强迫风冷下舰载机柜散热的设计与计算[J].通信与广播电视,2001(3).
2024年3月25日发(作者：衡妮子)
安全级DCS机柜散热设计方法研究
陈伟;刘明星;吴霄
【摘 要】机柜热设计是整个机柜设计中的重要组成部分,合理的热设计方法能够减少
设计过程中的重复校核工作,准确找出设计中的薄弱或者不合理的环节并及时进行设计修
改.该文将传统的理论计算方法与最新的仿真计算方法相结合,介绍了机柜的整套热设计方
法.工程实践表明该设计方法合理有效.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2018(025)012
【总页数】5页(P76-80)
【关键词】安全级DCS;机柜散热设计;仿真计算
【作 者】陈伟;刘明星;吴霄
【作者单位】中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都610213;中国核动力研
究设计院设计所仪控生产部,成都610213;中国核动力研究设计院设计所仪控生产部,成都
610213
【正文语种】中 文
【中图分类】TL362
0 引言
机柜良好的散热能力，意味着机柜中的设备具有良好的运行环境。目前安全级DCS
电气机柜的散热设计的方式大多采用传统的理论计算和行业经验进行设计。设计过程中难
免会出现裕量过大或者不足的问题，安全级DCS对设备的要求较高，而传统的试验方式
又难以提前发现设计过程中的风险项，如果进行反复试验整改将会提高研发成本。
为实现安全级DCS机柜热设计的科学性、合理性及经济性，可以采用传统理论计算
与仿真计算相结合的方式对机柜进行科学的热设计。传统的理论计算主要用于对机柜的散
热进行预设计，包括风道布置，风扇选型等，而仿真计算主要用于校核机柜风道设计以及
风扇流量的合理性、查找设计中的薄弱环节以及计算关键点的温度值，并通过仿真计算结
果对设计进行改进。
本文根据NASPIC平台安全级机柜的设计要求开展机柜的散热设计，并按照设计要
求进行了散热性能的校核。
1 设计输入
根据上层需求，机柜的尺寸为800mm×800mm×2200mm（宽×深×高），柜内的
功耗不超过1000W，机柜工作时，进出风口的温差不超过15℃，同时柜内设备能够满足
在25℃和55℃环境条件下能够正常工作。
2 机柜自然散热性能评估
参考密封电子设备机箱的热设计，将密闭机箱的散热功耗计算方法运用于机柜的散热
功耗计算，如公式（1）所示[1,2,6]。根据系统配置，整个机柜内部的功耗不超过1000W，
由于机柜的底部在现场需要焊接在地面，机柜顶部为线缆进线空间，所以机柜主要的散热
面为4个侧面，忽略顶部和底部的散热能力，带入公式（1）计算出机柜的散热功耗P。
式中：P —机柜的散热功率，W。
SS —机柜侧面内壁的有效面积，m2。
St —机柜顶部的表面积，m2。
Sb —机柜的底面积，m2。
Δt —机柜的温升值，℃。
σ —斯忒潘-玻耳兹曼常数，σ=5.67×10-5W/(m2·℃)。
ε —辐射系数。
T —机柜的表面温度，℃。
Ta —环境温度，℃。
假设在25℃环境条件下，由于机柜表面材质为镀锌钢板，所以其辐射系数ε为0.23。
根据上述计算公式，机柜的自然散热功耗约为575W，并不能满足1000W的散热要求。
3 散热方式的选择
机柜的散热方式除自然冷却（对流和辐射）方式以外还有强迫空气散热、浸没自然对
流冷却、浸没沸腾冷却和强迫水冷等散热方式，具体可以根据热流密度与温升要求，按图
1所示的关系进行选择，该方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却[2,8]。热流密度φ
计算公式为：
式中：φ—机柜的热流密度，W/cm2。
P—机柜内部功耗，W。
S—机柜的散热表面积，cm2。
通过计算机柜热流密度约为0.022W/cm2，机柜的温升要求为15℃，通过在图1中
描点可知，机柜散热方式已经不适合使用自然冷却散热，保险起见机柜的散热方式使用强
迫空气冷却散热。
4 散热解决方案制定
散热解决方案需要明确机柜内部的热源布置、通风位置（包含风扇位置及风量）确定
以及气流走向。
4.1 热源布置
安全级DCS机柜内部的热源主要有控制机箱，机柜内部电气元件以及供电的电源模
块，机柜输入电源的滤波器，其中机柜根据内部安装的机箱类型分为3U机柜与6U机柜，
3U机柜中最多安装5个3U机箱，机柜内的电源模块的数量最多为10个，滤波器的数
量至少为2个，同时机柜内部还有若干发热量可以忽略不计的空气开关、终端模块以及控
制线缆等装置，各设备的发热功耗如表1所示。
图1 冷却方法的选择Fig.1 Selection of cooling methods
表1 各设备发热功耗Table 1 Heat dissipation power of each equipment设备类
型功耗（W）数量机箱150 3～5电源9.6 10滤波器70 2
机柜内部的热源放置遵循从上到下，发热功耗依次降低的原则。发热量大而集中的热
源能够快速将空气加热，使空气的温度升高，受热后的空气密度降低，热空气将会向柜顶
流动，柜顶空气将会形成负压，柜底的冷空气将会向柜顶流动，从而形成一个自然对流的
风道。
考虑到机柜与机箱均参照19寸基准尺寸进行设计。因此，机箱在机柜内部选择垂直
堆放，由于机箱的发热量较大，机箱在堆放的过程中需要间隔一定的距离，同时在机箱与
机箱之间增加导流板，将经过机箱后的热气流导向机柜的后端，同时使冷却机箱的冷空气
从机柜的前端进入，避免机箱的发热相互影响。
由于电源模块的体积小，发热量大，数量多，所以将电源模块放置在机柜顶端。电源
模块与机箱之间可以放置发热量几乎可以忽略不计的空开等设备。
由于滤波器的散热面积较大，能够承受的温度较高。因此，将滤波器放置在机柜的底
部。综上所述，机柜的冷热空气将被机柜内的设备分隔在机柜的前后端。
4.2 通风设置
4.2.1 通风孔位置确定
图2 通风机形式Fig.2 Fan type
图3 机柜风道Fig.3 Cabinet air duct
根据热源布置方案可以确定的是机柜的后端为热气流，正面为冷空气，进出风口的位
置遵循最远距离规则，满足气流能够通过机柜内部的主要发热区域。机柜最底端的热源为
滤波器，最顶端的热源为电源。因此，将机柜的进风口设置在机柜的前门下端，使冷空气
从进入机柜开始就能够对柜内的电气元件进行冷却降温。机柜的出风口设置在机柜后门的
顶端，使机柜内的热气流在柜顶能够被充分地排出机柜外。
4.2.2 风扇选型
由于机柜内部的热源垂直分布于机柜的中部，比较分散，所以整个机柜采用抽风冷却
的方式对机柜进行散热。该方式能够保证冷空气能够均匀地通过各个热源，并及时将机柜
内的热空气排出柜外。目前市面上主流的风扇有轴流风扇和离心风扇，轴流风扇的进气口
与出风口在同一轴向上，离心风扇的进气口与出风口呈垂直分布，如图2所示。由于机柜
的后门上安装风扇的安装面与热源和外界环境为平行面，因而散热风扇只能够选择轴流风
扇。整个机柜将会形成如图3所示的气流通道。
4.2.3 风量确定
机柜风量的确定是根据机柜散热所需的风量来进行选择，首先保证散热风扇的风量满
足要求，然后再对风扇的静压进行校核。空气的质量流量qm与发热量Фt、温升Δt1之
间的关系，可以表示为[3,8]：
根据质量、体积与密度的关系可以推导出风机的风量Qf与空气的质量流量qm之间
的关系为：
式中：qm —空气的质量流量，kg/s。
Qf —风扇风量，m3/min。
Фt —机柜内部功耗，W。
Δt1 —机柜内部的允许温升，℃。
cp —空气的定压比热容，J/(kg·℃)。
ρp —空气的密度，kg/m3。
由于机柜温升不超过15℃，环境温度在25℃情况下，因而假定机柜达到热平衡后的
平均温度为30℃，空气的密度为1.165kg/m3，由于机柜的防护等级为IP30，且具有电
磁屏蔽要求，所以在风扇的出风口上安装了防尘棉和屏蔽网，防尘棉和屏蔽网的综合通风
率为0.4，通过计算，机柜需要的散热风量约为0.0585m3/s（210.62m3/h）。
散热风扇的风量确定后还需要保证风扇的风压必须大于机柜内部系统的压力损失，以
保证机柜内部的所有元器件散出的热量被内部散热风扇及时排除机柜外。当系统流体的速
度和方向发生变化时，所引起的局部压力损失Δpc由公式（8）计算。
式中：Δpc —局部压力损失，Pa。
∑ζ —局部阻力损失系数或几个损失系数之和，其值见表2分支管局部阻力系数。
ν —空气的平均流速，m/s。
ρ —空气的密度，kg/m3。
表2 分支管局部阻力系数[4]Table 2 Local resistance coefficient of branch
pipeline[4]注：① 各种分流及合流情况，可按表2进行组合来确定阻力系数；② 计算公
式中的流速应为主管道内流体的平均流速。?
根据机柜的风道设计，机柜内的通风路径简化之后如图4所示。各处的阻力损失系数
见图4。
图4 通风风道简化Fig.4 Cabinet air duct is simplified
表3 柜内各处风速Table 3 Around the wind seed in cabinet位置截面积（m2）
风速（m/s）平均风速（m/s）进风口0.06435 0.91出风口0.01152 5.08 2.12机柜中间
位置0.16 0.37
表4 风扇连接方式与参数的关系Table 4 Relationship between fan connection
type and parameters参数串联并联静压各风扇静压之和与静压最大的风扇相同风量与风
量最大的风扇相同各风扇风量之和
机柜内部风道的平均风速取，进风口、出风口、机柜内部风速最小处3个位置的平均
速度。假定风扇通风尺寸为120mm×120mm，使用两个风扇，机柜出风口面积为
0.0288m2，考虑防尘棉和屏蔽网综合通风率，机柜进风口面积为0.06435m2，机柜截
面积为0.64m2，由于机柜内部会安装电气设备，预估通风率为0.25。因此，截面上的有
效通风面积约为0.16m2，则机柜内部各处的风速如表3所示。通过计算，系统的压力损
失约为31.4Pa。
综上所述，如果机柜采用单个风扇进行散热，风扇的风量应不低于210.2m3/h，静
压不低于31.4Pa。当选型时单个风扇不能满足要求时，可以采用两个或者两个以上的风
扇进行串联或者并联，串联或并联之后的参数变化规律如表4所示。
经过初步分析，本设计采用风量为110m3/h，静压为40Pa的两个风扇进行并联，
对机柜进行强迫空气散热，以达到机柜散热要求。
图5 简化示意图Fig.5 Schematic diagram of thecabinet after simplification
5 仿真分析
理论计算能够保证机柜的散热风扇满足散热要求，但是不能够完全确认气流是否能够
对机柜中所有的热源进行有效冷却，在本设计中引入了散热仿真计算，进一步确认机柜内
的风道形成情况以及关键位置的温度值。
5.1 条件设置
散热仿真分析主要是基于Flotherm散热仿真软件对机柜内部主要发热器件的温度以
及整个机柜的通风风道进行仿真计算，在进行仿真计算之前需要对机柜及机柜内部的情况
进行建模和边界条件设置。
机柜、机箱、电源模块及滤波器的大小按照实际尺寸进行设置，开孔处使用
Flotherm中的打孔板模块进行简化设置，同时开孔率与实际情况保持一致。热源统一设
置在发热的PCB上，热功耗的大小与实际情况保持一致。机箱的安装柱使用一块平板进
行简化，同时将机柜的前后区域进行隔离。各部件的材质与实际情况保持一致。机柜中的
屏蔽丝网使用打孔板模块进行简化设置，开孔率与实际情况保持一致。
假定机柜上使用两个风量为155m3/h，静压为25Pa的风扇并联进行散热。因此，
在机柜的后门上设置两个与实际风量和静压值大小相同的风扇，风扇尺寸假定为
120mm×120mm×38mm，转轴尺寸假定为40mm。
将环境温度设置为25℃和55℃，根据热仿真计算的经验将空气的热交换速率设置为
6W/(m2·K)，在进行仿真计算前，在机柜及机箱的进出风口处增加了温度监测点，监测主
要位置的温度。
使用局域网格对机箱中的PCB进行网格划分，网格膨胀系数设置为10%，其他位置
使用全局网格，整个求解域的网格保证平滑过渡，相邻网格之间的尺寸相差控制在50倍
以内，所有网格的长宽比控制在50以内[5,7]。
5.2 计算结果
图6 温度场Fig.6 Temperat field
表5 监控点温度Table 5 Monitor point temperature?
表6 温度对比Table 6 Temperature contrast?
通过仿真计算，得到了机柜以及内部设备的温度场及气流流向图，如图6、图7所示。
并得到了监控点的温度值，如表5所示。通过图6温度场可以看出机柜内部的最高温度
出现在柜顶的电源模块，内部的最高温度能够达到60℃，外壳温度为50℃左右。
根据计算结果可见机柜内部的设备在25℃和55℃环境条件下均能满足使用要求，机
柜内部的风道形成情况良好。因此，机柜的热设计满足设计要求。
6 实测验证
在机柜进行长期稳定性试验时对机柜内部的关键位置进行了实际温度测量，实测温度
值与仿真计算温度值的对比如表6所示。通过表中的数据可见，当实际测量时环境温度达
到25℃时，仿真计算的结果与实测结果比较接近，说明仿真计算方法具有一定的参考性。
7 结论
图7 气流流向Fig.7 Air flow
本文设计了安全级DCS机柜散热通道，对内部的发热设备进行了合理布局，并根据
内部设备的发热量分析选择散热冷却方式，通过理论计算得出散热风扇所需的风量和静压，
最后根据设计要求，按照实际情况建立仿真计算模型。
根据仿真及结果，机柜内部的气流流向与设计意图一致，在常温和高温下均能满足设
备工作温度的要求，可以判定机柜的散热设计合理，且满足设备使用要求。
本文探讨的整套机柜散热设计流程，主要包括了理论计算与仿真验证两部分，其中理
论计算能为设备散热方式选择提供准却的依据，仿真计算能够对理论计算的结果进行有效
地校核，同时能够对设计优化提供指导意见，两部分相结合能够有效保证电子设备热设计
的科学性和经济性。
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