基于氣液熱交換器的密閉機柜熱設計*

余 濤，劉 毅，張 磊

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安710068）

引 言

隨著電子技術的飛速發展和應用，一方面，電子設備朝著高集成度、高密度、高功率方向發展；另一方面，電子設備追求小型化，使用環境不斷復雜化。電子設備的系統大容量和體積小型化要求它具有良好的環境適應性以保證其可靠工作[1–3]。為保證并提高電子設備在惡劣工作環境條件下的可靠性，通常將電子設備安裝在某種封閉環境中，從而將它與外界的惡劣工作環境隔離開。

將電子設備安裝在密閉機柜中是一種抗惡劣環境的有效隔離方式。對密閉機柜的框架采用整體鑄造方式，對機柜門與柜體框架之間部分做密封處理，可有效地將機柜內外的氣候環境和電磁環境隔離開來。將電子設備安裝在密閉機柜內，可有效排除外界環境（如溫度、濕度、電磁干擾等）對電子設備的干擾，大大改善電子設備所處的環境，對提高電子裝備的可靠性、降低故障率、延長設備壽命、降低元器件的選型要求和采購成本都具有重要的現實意義[4–5]。

密閉機柜可有效排除外界惡劣環境對機柜內電子設備的影響，但機柜內設備處于密閉空間，無法與外界產生熱交換，因此其散熱設計成為制約電子設備性能的關鍵。本文設計了一種基于氣液熱交換器進行二次換熱的密閉機柜。熱仿真和熱測試表明：該密閉機柜具備2 kW的散熱能力，滿足設計指標要求；機柜內風道設計合理，無回流、短路情況。

1 密閉機柜散熱設計

1.1 密閉機柜組成

某密閉機柜由機柜柜體、柜門、組合插箱、氣液熱交換器、減震器等組成，如圖1所示。

圖1 機柜整體布局示意圖

密閉機柜的外形尺寸為1 600 mm（高）×668 mm（寬）×550 mm（深），機柜內部寬度為標準的24英寸（1英寸=2.54 cm），可用高度空間為31U（1U=44.45 mm），可用于安裝各類標準寬度的組合插箱。

1.2 密閉機柜熱設計要求

某密閉機柜內裝電子設備的總熱耗為2 kW，機柜工作環境溫度為?40?C～+50?C，散熱用淡水溫度不超過30?C。

1.3 密閉機柜熱設計方案

本文設計的密閉機柜采用氣液熱交換器進行二次換熱。機柜內部為強迫風冷，由氣液熱交換器為機柜內部提供冷風并回收熱量，完成內循環。機柜外部為液冷，氣液熱交換器和外部液冷設備進行熱交換，熱量由液冷設備帶走，完成外循環，從而在機柜內部形成與外界環境隔離的散熱空間。

1.3.1 風量計算及氣液熱交換器選型

風量Q1根據式（1）計算：

式中：φ1為熱耗，取2 120 W（氣液熱交換器熱耗為120 W）；Cp,1為空氣比熱容，取1 005 J/（kg·?C）；ρ1為空氣密度，取1.093 kg/m3（50?C）；?T1為空氣溫升，取10?C。

將以上數據帶入式（1）求得所需空氣流量Q1為694.8 m3/h。根據計算結果，選用的氣液熱交換器的主要技術指標見表1。

表1 氣液熱交換器主要性能指標

綜合考慮安全性和維修性，將氣液熱交換器布置在密閉機柜的最下端，以免意外情況下冷卻液泄漏對機柜內電子設備產生影響。氣液熱交換器通過兩側導軌與機柜連接，以方便維護和維修。

1.3.2 機柜風道設計

各組合插箱正面下端預留有進風風口，后背部安裝有抽風風扇，整個組合插箱為“Z”字型風道。

氣液熱交換器布置在機柜最下端，其前面板設置有供風口，供風口設置導向板將冷風導至各組合插箱進風口面。氣液熱交換器后部設有回風口和抽風風扇，回收由各組合插箱排出的熱空氣。熱空氣在氣液熱交換器內部完成熱交換，變成冷風后重新提供給各組合插箱。

機柜內各組合插箱及氣液熱交換器從上到下排列，將組合插箱正面與柜門之間的空間以及組合插箱背面與機柜后門之間的空間作為風道。機柜內各組合插箱為并聯形式，由氣液熱交換器和組合插箱的風扇驅動完成熱交換循環。整體風道形式如圖2所示。

圖2 機柜風道示意圖

2 密閉機柜熱仿真分析

采用ANSYS Icepak 19.2軟件對該密閉機柜進行熱仿真分析。

2.1 熱仿真模型簡化及網格劃分

綜合考慮計算成本和仿真結果的準確性，對模型進行簡化，將對散熱影響較小的倒角、螺紋孔、密封圈槽、減震器、加強筋等特性進行簡化。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 簡化后的幾何模型

將簡化后的機柜模型導入ANSYS Icepak中，選用Mesher-HD方法，采用多級網格技術進行網格劃分，網格數量為2 036 724，網格節點數為2 445 181，得到的密閉機柜的網格模型如圖4所示。

圖4 密閉機柜網格模型

2.2 熱仿真邊界條件設置

環境溫度為50?C，氣液熱交換器的供風溫度為42?C（測試得到），供風流量為700 m3/h。氣液熱交換器內部含有風機，工作時會引入熱耗。密閉機柜內裝設備的熱耗見表2。密閉機柜和各組合插箱的材料設置為6061鋁合金。

表2 密閉機柜內裝設備的熱耗 W

2.3 熱仿真結果

2.3.1 溫度仿真結果

各組合插箱進風口、氣液熱交換器供/回風口的溫度仿真結果如圖5所示。

圖5 組合插箱進風口和氣液熱交換器的溫度仿真結果

由圖5可知：機柜內部越靠近上部的組合插箱入口處的溫度越高，1號組合插箱入口溫度比4號組合插箱入口溫度高約3?C，各組合插箱入口溫差≤5?C；3號組合插箱熱耗最大，其出風口溫度最高，進出風口溫差最大，約為8.4?C；氣液熱交換器供/回風口溫差約為10?C，滿足設計指標要求。

2.3.2 速度仿真結果

由仿真得到的機柜內部速度場分布如圖6所示。

圖6 速度場仿真結果

由圖6可知：機柜內部不存在短路、回流現象；下部組合插箱進風口速度大，約為4 m/s，上部組合插箱進風口風速略小，約為3 m/s。

2.3.3 壓力仿真結果

由仿真得到的機柜內部壓力場分布如圖7所示。

圖7 壓力場仿真結果

從圖7可知，機柜內氣液熱交換器供風口和回風口之間的壓差約為32 Pa。

2.4 小結

由熱仿真結果可知：

1）該密閉機柜在空氣進出溫升約為10?C時，具備2 kW的散熱能力，密閉機柜的熱設計滿足指標要求。

2）密閉機柜內部風道設計合理，不存在局部短路、回流現象；各組合插箱的入口溫差≤5?C。

3）氣液熱交換器供/回風口壓降約為32 Pa，低于40 Pa，符合要求。

因此，在實際使用時，建議將熱耗大、耐高溫性差的器件布置在靠近機柜下端的組合插箱內，將熱耗小，耐高溫性好的器件布置在機柜上端的組合插箱內。

3 密閉機柜熱測試

為驗證該密閉機柜在規定的工作環境溫度下是否滿足散熱指標要求，搭建了熱測試系統，對密閉機柜進行了高溫工作測試。同時將測試結果與仿真結果進行比較，以驗證仿真的準確性。

3.1 熱測試系統組成

密閉機柜溫度試驗測試系統主要由密閉機柜、5 kW液冷機組、數據采集儀及溫度傳感器等組成，如圖8所示。

圖8 密閉機柜測試系統組成示意圖

試驗時，測試氣液熱交換器供/回液的溫度、各組合插箱的溫度及氣液熱交換器供/回風的溫度，驗證密閉機柜的散熱能力。溫度數據測試通過Agilent 34972A型溫度記錄儀配合多路T型熱電偶溫度傳感器完成。用于熱測試的主要儀器和設備見表3。

表3 主要測試用儀器和設備

實驗開始前對各溫度傳感器進行校核，剔除由傳感器故障帶來的測試誤差，同時用鉗流表對各組合的實際熱耗進行測試。結果表明，各組合插箱的實際熱耗與表2中的值基本一致。

3.2 熱測試結果

根據GJB 150.3A《軍用裝備實驗室環境試驗方法第3部分：高溫試驗》的條件，將密閉機柜放置于環境實驗室溫箱內，環境溫度設置為50?C。冷卻液為65#防凍液，液冷機組的供液溫度設置為30?C。

對密閉機柜加電測試，每隔10 min記錄一次各溫度傳感器采集到的溫度數據。約90 min后，各傳感器的溫度數據穩定，機柜達到熱平衡狀態。根據該時刻的數據來計算密閉機柜的散熱量。

機柜達到熱平衡狀態時，氣液熱交換器的供液溫度為32.5?C，回液溫度為37.8?C，供液流量為7.05 L/min。由氣液熱交換器帶走的熱量φ2根據下式計算：

式中：Cp,2表示流體的定壓熱容，取3 027 J/（kg·?C）；ρ2表示流體的密度，取1 089 kg/m3；Q2表示流體的體積流量，為7.05 L/min；?T2表示流體溫升，為5.3?C。

將測試數據帶入式(2)計算得到由氣液熱交換器帶走的熱量φ2=3 027×1 089×7.05/(60×1 000)×5.3=2 052.8 W。

由計算結果可知，在高溫情況下，液冷機組供液溫度為30?C時，由氣液熱交換器帶走的熱量占密閉機柜總熱耗的96.8%。

3.3 仿真與測試對比

取各組合插箱進/出風口、氣液熱交換器供/回風口共10處溫度的仿真結果和實測結果進行對比，多個監測點取算術平均值，見表4。

表4 仿真和實測結果對比

由表4可得出以下結論：

1）氣液熱交換器供/回風溫差為9.7?C時，機柜的散熱能力達到2 052.8 W；

2）氣液熱交換器的供風溫度比冷卻液的溫度高約12?C；

3）各組合插箱進風口處的仿真溫度數值和實測溫度接近，溫度誤差都在5%以內。

由熱測試試驗可知，密閉機柜內部發熱量為2 kW時，氣液熱交換器的供/回風口溫差≤10?C，各組合插箱的入口溫差≤5?C，熱設計滿足指標要求。

4 結束語

本文設計了一種基于氣液熱交換器進行二次換熱的利用機柜、組合插箱、氣液熱交換器及風扇形成內部循環風道的密閉機柜。由仿真及測試可知：

1）進出口空氣的溫升約為10?C時，該密閉機柜具備2 kW的散熱能力；

2）機柜底部組合插箱的入口風溫最低，最上端組合插箱的入口風溫最高，溫差約為3?C；

3）機柜內部風道布置合理，不存在短路及回流現象。

本文主要對機柜散熱及風道設計進行了研究，但未深入分析內裝組合插箱的風道設計。使用該密閉機柜時，各組合插箱還應該根據熱耗等信息，合理選取風扇，優化風道，保證自身的散熱能力。在密閉機柜及內裝組合插箱組成的散熱系統中，有多個風扇串并聯使用，如何進行系統仿真，給各組合插箱合理分配風量還有待進一步研究。