一、問題背景：為什么防爆柜更難散熱

防爆控制柜為了阻止爆炸性氣體進(jìn)入殼體，通常采用隔爆型或正壓型結(jié)構(gòu)：

隔爆型：外殼必須承受內(nèi)部爆炸壓力，接縫面間隙極窄，空氣幾乎不流動；

正壓型：需維持高于環(huán)境 50 Pa 的潔凈空氣或惰性氣體，一旦開孔散熱就可能失壓。

這種“既要密封又要散熱”的矛盾，使得傳統(tǒng)電氣柜的“開百葉+風(fēng)扇”方案直接失效，必須采用特殊技術(shù)路徑。

二、熱源分析與熱負(fù)荷計算

主要熱源

? 變頻器 IGBT、整流橋（占 55 %～70 %）

? 電源模塊、變壓器、繼電器線圈（15 %～25 %）

? 銅排及導(dǎo)線損耗（5 %～10 %）

熱負(fù)荷估算

經(jīng)驗(yàn)公式：Q=Σ(P×η)

其中 P 為元件功耗，η 為發(fā)熱系數(shù)（IGBT 取 0.95，變壓器 0.3）。

舉例：一臺 37 kW 變頻防爆柜，總功耗約 2.8 kW，則 Q≈2.3 kW。

需在 45 ℃ 環(huán)境溫度下將柜內(nèi)溫度控制在 ≤60 ℃，散熱系統(tǒng)必須帶走 2.3 kW 熱量。

三、五大主流散熱技術(shù)

自然散熱 + 擴(kuò)展壁散熱器

? 通過加大外殼表面積（鋁擠壓型材、波浪板），把熱量直接導(dǎo)到空氣中；

? 適用于 <500 W 的小型柜體；

? 關(guān)鍵設(shè)計：散熱器與發(fā)熱元件之間用導(dǎo)熱硅脂+壓接，減少界面熱阻。

熱管-散熱片耦合系統(tǒng)（中功率首選）

技術(shù)路徑：元件 → 銅基板 → 熱管 → 外部鋁翅片 → 環(huán)境

? 熱管導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 10 000 W/(m·K)，遠(yuǎn)高于鋁 237 W/(m·K)；

? 布置方式：將 IGBT 安裝在柜體后壁，后壁外側(cè)焊接“槽形散熱器”，熱管貫穿壁板，把熱量“搬”到隔爆殼外；

? 設(shè)計要點(diǎn)：

– 熱管直徑 6～8 mm，6 根并聯(lián)即可帶走 1 kW；

– 翅片面積 A=Q/(h·ΔT)，其中 h≈12 W/(m2·K)（自然對流），ΔT 取 15 K。

強(qiáng)制風(fēng)冷（防爆風(fēng)扇 + 風(fēng)道）

? 在隔爆外殼上設(shè)置“防爆呼吸閥”或“防爆格蘭”，安裝 Ex d IIC T4 認(rèn)證風(fēng)扇；

? 內(nèi)部風(fēng)道遵循“下進(jìn)上出”原則，避免熱短路；

? 過濾棉需耐 250 ℃，并具備阻燃等級 UL94 V-0；

? 適用功率：0.5 kW～3 kW；噪聲控制在 65 dB(A) 以下。

液體冷卻（水冷/油冷）

? 組成：冷卻箱、循環(huán)泵、不銹鋼波紋管、防爆換熱器；

? 冷卻液選用 50 % 乙二醇溶液，冰點(diǎn) ?35 ℃，防腐蝕；

? 計算示例：若需帶走 2.3 kW，ΔT=10 K，則流量 G=Q/(c·ΔT)=2.3/(3.8×10)=0.06 kg/s≈220 L/h；

? 優(yōu)點(diǎn)：散熱效率高，不受環(huán)境灰塵影響；

? 難點(diǎn)：隔爆殼體需預(yù)留 DN25～DN40 的雙層密封格蘭，防止?jié)B漏。

防爆空調(diào)/正壓通風(fēng)系統(tǒng)（>3 kW 或高溫環(huán)境）

? 正壓型：持續(xù)注入潔凈空氣，排氣口配阻火器，既降溫又防爆；

? 防爆空調(diào)：一體式頂裝空調(diào)，制冷量 1.5 kW～5 kW，防爆標(biāo)志 Ex db eb mb IIC T4 Gb；

? 需與配電柜 PLC 聯(lián)鎖：溫度≥55 ℃ 啟動制冷，≤45 ℃ 關(guān)閉，節(jié)能 25 %。

四、綜合設(shè)計流程（可落地的 5 步法）

計算熱負(fù)荷 → 2. 選擇散熱方式 → 3. 布局仿真（FloTHERM）→ 4. 樣機(jī)溫升試驗(yàn) → 5. 定型與認(rèn)證

? 仿真要點(diǎn)：將隔爆殼體設(shè)為“無通風(fēng)”邊界，熱管/水冷作為“等效熱阻”輸入；

? 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB 3836.1-2021 要求最高表面溫度低于 T6（85 ℃）或 T5（100 ℃）。

五、維護(hù)與智能監(jiān)控

每月檢查散熱翅片積塵，使用 0.3 MPa 干燥壓縮空氣吹掃；

熱管彎曲角度不得大于 45°，防止工質(zhì)回流受阻；

安裝 2 個 PT100 溫度探頭，分別位于柜體頂部與底部，接入 Modbus-RTU；

當(dāng)溫差>15 K 或絕對溫度>58 ℃ 時，后臺 SCADA 推送報警，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)。

六、結(jié)論

防爆控制柜散熱并非單一技術(shù)，而是“熱負(fù)荷-散熱方式-防爆合規(guī)-維護(hù)成本”的系統(tǒng)平衡。

? 小功率：優(yōu)先熱管+散熱片；

? 中功率：強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷；

? 高功率/高溫：正壓通風(fēng)或防爆空調(diào)。

通過精準(zhǔn)計算、仿真驗(yàn)證與智能監(jiān)控，可讓隔爆外殼“密不透風(fēng)”的同時，熱量“悄無聲息”地排出，為危險區(qū)域電氣系統(tǒng)提供長期、可靠的安全保障。