電子機箱強迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計及性能仿真分析

張斌 田曉旸 宋國蓮

摘? 要：文章研究了一種強迫風(fēng)冷電子機箱的散熱設(shè)計方案及熱性能仿真。將采用風(fēng)扇的散熱結(jié)構(gòu)方案轉(zhuǎn)化為基于Icepak的有限元熱分析模型，仿真計算強迫對流模式的機箱結(jié)構(gòu)達到熱平衡時的溫度場和流體場。給出機箱內(nèi)部各發(fā)熱電氣元件的工作環(huán)境溫度，作為判斷電子產(chǎn)品熱性能優(yōu)劣的條件。并且根據(jù)電子機箱熱分析結(jié)果判斷原散熱方案是否合理，為機箱散熱機構(gòu)二次優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：電子產(chǎn)品;強迫風(fēng)冷;散熱仿真分析

中圖分類號：TN02? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0081-03

Abstract： The heat dissipation design scheme and thermal performance simulation of a forced air-cooled electronic chassis are studied in this paper. We transformed the heat dissipation structure scheme of the fan into an Icepak-based finite element thermal analysis model， and then simulated the temperature field and fluid field when the chassis structure of the forced convection mode reaches thermal equilibrium. The working environment temperature of the heating electrical components in the chassis is given as the condition to judge the thermal performance of electronic products. According to the thermal analysis results of the electronic chassis to judge whether the original heat dissipation scheme is reasonable or not， which provides a reference for the secondary optimization design of the chassis heat dissipation mechanism.

Keywords： electronic products; forced air cooling; heat dissipation simulation analysis

引言

根據(jù)相關(guān)文獻和數(shù)據(jù)，工作溫度是影響電子產(chǎn)品可靠性的重要因素：約55%的電子產(chǎn)品失效是由工作環(huán)境溫度超過規(guī)定值而引起的[1]。并且電子元器件工作溫度每升高10℃，其失效率會增加一個數(shù)量級[2]。因此對電子產(chǎn)品進行針對性的散熱設(shè)計可以有效提高產(chǎn)品可靠性。

1 散熱設(shè)計方案介紹

本文研究的電子產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。由箱體結(jié)構(gòu)、電子元器件、開關(guān)電源以及機箱兩側(cè)的對流風(fēng)扇構(gòu)成。初始設(shè)計方案根據(jù)工程師的個人經(jīng)驗在機箱兩側(cè)設(shè)計一組風(fēng)扇，構(gòu)成強迫對流的流體通道，希望達到對流換熱的設(shè)計目的。

2 熱分析基本理論[3]

熱傳遞途徑和方式分三種：傳導(dǎo)、對流和輻射。

2.1 熱傳導(dǎo)理論

熱傳導(dǎo)是由存在溫度差的高低溫物體接觸而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。傳導(dǎo)換熱的物理規(guī)律描述為傅立葉定律，即導(dǎo)熱過程中總熱流量與引起導(dǎo)熱的溫差成正比，與導(dǎo)熱面間距成反比，數(shù)學(xué)表達式為：

式中：Φ為熱流量，單位為W;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·℃）;A為垂直于熱流方向的截面面積，單位為m2;Δt為溫差，單位為℃。

2.2 熱對流理論

熱對流是由存在溫度差的流體和固體耦合而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。對流換熱的物理規(guī)律描述為牛頓散熱公式：

式中：Φ為對流換熱量，單位為W;α為對流換熱系數(shù)，單位為W/（m2·℃）;A為換熱面積，單位為m2;Δt為流體與固體的溫差，單位為℃。

2.3 熱輻射理論

熱輻射是由高于絕對零度的物體之間互相輻射和接收能量而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。輻射換熱的物理規(guī)律描述為斯蒂芬伯爾曼黑體輻射計算公式：

式中：Φ為輻射換熱量，單位為W;α為黑體輻射常數(shù)，為6.669×10-8W/（m2·k4）;A為輻射表面積，單位為m2;T為輻射表面絕對溫度，單位為K。

對于強迫風(fēng)冷式箱體散熱設(shè)計，熱量的流動路徑有兩部分：（1）利用箱體本身的箱壁作為散熱系統(tǒng)的冷板，將發(fā)熱電氣元件的熱量通過熱導(dǎo)傳遞到箱壁冷板，再通過冷板與空氣的對流換熱，進行熱交換。（2）利用風(fēng)扇的強迫對流，將熱量通過機箱內(nèi)外的氣壓差引起的流體流動傳導(dǎo)至外界，其中主控制器下方有一個增強局部散熱的風(fēng)扇，將局部熱量強迫對流至主風(fēng)道。

另外，設(shè)備風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計中，熱輻射的熱量經(jīng)常做忽略處理。主要原因是熱輻射的熱量一般較少，而影響輻射熱量的因素又非常多而且復(fù)雜，進行理論計算往往不可行。本問題屬于強迫風(fēng)冷系統(tǒng)，輻射熱量占比很少，做忽略處理。

3 熱仿真建模及分析計算

利用Icepak軟件對計算區(qū)域以及結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格劃分類型為Hexa unstructured，X方向最大網(wǎng)格尺寸為48.2mm，Y方向最大網(wǎng)格尺寸為22.15mm，Z方向最大網(wǎng)格尺寸為30mm，最小間隙為0.2mm。劃分完成之后，進行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，滿足要求。

建立仿真模型時主要的設(shè)定如下：

（1）熱計算區(qū)域取1.5倍機箱體積，重力軸向下（-Y向），計算區(qū)域的六個面均為Opening， Opening采用環(huán)境溫度（40℃）作為溫度邊界條件。

（2）建立風(fēng)扇模型。

定義右側(cè)風(fēng)扇工作方向為IN-OUT方向，風(fēng)量為0.1kg/s。

定義左側(cè)風(fēng)扇工作方向為OUT-IN方向，風(fēng)量為0.1kg/s。

定義主控制器下方風(fēng)扇工作方向為Down-Up方向，風(fēng)量為0.1kg/s。

（3）設(shè)定機箱所有的結(jié)構(gòu)件的材料屬性，包括熱導(dǎo)率、比熱容、密度。

設(shè)定所有發(fā)熱元器件的熱功率。

完成的模型如圖2所示。

設(shè)置模型的流態(tài)為湍流，并采用零方程模型，同時求解流場和溫度場，機箱內(nèi)部和外部流體為空氣，大氣溫度為25℃，求解穩(wěn)態(tài)時的溫度場和流體場。

求解完成，求解時的殘差曲線如圖3所示，迭代達到100步時求解終止。Continuty殘差沒有完全收斂，但是接近10e-3而且其它殘差均低于10e-3，判定為計算結(jié)果收斂。

電子機箱內(nèi)部溫度分布情況如圖4所示。

計算區(qū)域內(nèi)的流體場的分布情況如圖5所示。

后處理結(jié)果總結(jié)如下：

（1）機箱內(nèi)部元器件工作溫度最高的是主控制器，最

高溫度為68.6℃，主控制器所產(chǎn)生的熱量主要靠主控制器下方風(fēng)扇形成的強迫對流傳導(dǎo)至主風(fēng)道，再由側(cè)板兩個風(fēng)扇行成的主風(fēng)道向機箱外傳導(dǎo)。

（2）電源位置也產(chǎn)生了一定的局部溫度聚集，溫度約為52℃。

左右側(cè)板風(fēng)扇工作方向為左側(cè)風(fēng)扇進風(fēng)右側(cè)風(fēng)扇出風(fēng)，主控制器下方的風(fēng)扇工作方向為朝上排風(fēng)。產(chǎn)品內(nèi)部行成的流體（空氣）場分布合理。

（3）根據(jù)切斷面的溫度分布可見，機箱內(nèi)部環(huán)境溫度約為41℃。

4 熱設(shè)計分析結(jié)論

自動測控設(shè)備在穩(wěn)態(tài)工作時，主控制器工作溫度為68.6℃，未超過允許的溫度上限，可以正常工作;且機箱內(nèi)部的溫度環(huán)境（約41℃）滿足其他電子元器件的工作條件。而且三個風(fēng)扇的位置及工作方向設(shè)計達到了風(fēng)道設(shè)計的設(shè)計意圖，形成的風(fēng)道合理有效。

5 結(jié)束語

本文提出了一種采用了強迫對流設(shè)計的電子機箱散熱結(jié)構(gòu)方案和一種基于Icepak的熱仿真分析方法，并且針對此工程問題進行了詳細的仿真分析。通過仿真計算驗證了該電子機箱產(chǎn)品的散熱性能滿足要求，提高了產(chǎn)品的設(shè)計可靠性。

參考文獻：

[1]仁恒，劉萬鈞，黃靖，等.基于Icepak的機箱熱設(shè)計研究[J].電子科學(xué)技術(shù)，2015，2（6）：639-644.

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[4]包燁舒.室內(nèi)電子機箱熱設(shè)計技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2012.