某艦載電子機箱的散熱設(shè)計*

劉瑞國，盧 山，陳年瑞

（長沙湘計海盾科技有限公司，湖南 長沙 410000）

引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及用戶對電子設(shè)備性能指標的要求不斷提高，高密度、大功率、小型化的元器件被廣泛應(yīng)用，設(shè)備的總功耗及熱流密度不斷增大，對電子機箱的散熱設(shè)計提出了更高的要求。研究表明，55%的電子設(shè)備因溫度過高而失效[1]，因此合理的散熱設(shè)計可以提升產(chǎn)品的可靠性。

艦載電子設(shè)備長期處于高溫、高濕等惡劣環(huán)境，同時還需滿足不斷提高的電磁兼容和可靠性指標要求，因此，電子設(shè)備優(yōu)先采用密閉機箱。在密閉電子機箱散熱設(shè)計領(lǐng)域，目前主要針對某一類或特定的產(chǎn)品，集中在理論分析、方案優(yōu)化及試驗驗證等方面進行單一或多元組合研究，闡述密閉電子機箱散熱設(shè)計的基本流程及方法[2-4]。這些研究模型相對簡單，仿真分析過程較少，對具體產(chǎn)品研制的指導(dǎo)有限。

本文以某艦載電子密閉機箱為研究對象，針對其機箱尺寸小、內(nèi)部模塊多、熱耗大以及部分器件熱耗過于集中的問題進行分析，從機箱的結(jié)構(gòu)布局、散熱方式選擇和散熱材料選擇3個方面進行理論分析計算，運用Flotherm軟件進行仿真分析，并通過試驗測試對設(shè)計方案和仿真結(jié)果進行評價。

1 結(jié)構(gòu)布局

本項目整機外形采用19英寸（1英寸=25.4 mm）上架機箱標準尺寸，高度3U（1U= 44.45 mm）。整機由前面板、后面板、密閉腔體、5個模塊以及上下兩個獨立風(fēng)道組合而成。機箱采用全密閉結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要包含計算、管理、信號處理、音頻以及電源模塊。機箱內(nèi)部的詳細布局如圖1所示。

圖1 機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

電源和音頻模塊采用3U標準結(jié)構(gòu)，計算、管理及信號處理模塊采用6U標準結(jié)構(gòu)，便于模塊維護。各大模塊通過鎖緊機構(gòu)與機箱進行固定，并提供模塊導(dǎo)冷板與機箱之間的熱傳導(dǎo)路徑。機箱上下表面設(shè)計散熱齒，增加散熱面積，機箱表面的散熱齒和蓋板共同形成密封腔體，通過前面板與后面板對應(yīng)位置的通風(fēng)孔形成機箱上下表面的風(fēng)道。

整機的散熱路徑分為機箱外部散熱和內(nèi)部散熱兩種。機箱外部散熱主要依靠強迫風(fēng)冷，采用機箱前面板進風(fēng)、后面板出風(fēng)的抽風(fēng)模式對機箱上下表面及散熱齒進行冷卻，機箱側(cè)壁主要通過自然對流進行散熱，如圖2所示。其中，上下模塊導(dǎo)冷板緊貼機殼壁，主要通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量至機殼表面，中間模塊的導(dǎo)冷板通過兩側(cè)鎖緊機構(gòu)傳導(dǎo)熱量至機箱側(cè)壁。具體來說，計算、信號處理、音頻和電源模塊主要通過導(dǎo)冷板與機箱壁接觸散熱，管理模塊主要通過兩側(cè)鎖緊接觸面?zhèn)鲗?dǎo)熱量至機箱側(cè)壁。

圖2 整機散熱流程圖

機箱內(nèi)部的散熱路徑為發(fā)熱器件→導(dǎo)熱墊→導(dǎo)冷板→機箱表面，如圖3所示。各個模塊均設(shè)計有導(dǎo)冷板，導(dǎo)冷板與發(fā)熱器件之間填充彈性導(dǎo)熱橡膠材料，形成熱交換通道。發(fā)熱器件的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞至導(dǎo)冷板，再通過鍥形鎖緊機構(gòu)和緊貼的機箱內(nèi)壁傳導(dǎo)至機箱表面。

圖3 上部模塊詳細散熱示意圖

2 熱設(shè)計

整機散熱設(shè)計的基本任務(wù)是在熱源到熱沉（大氣）之間提供一條低熱阻通道，保證熱量迅速傳遞出去，以滿足整機正常工作要求。

本項目整機總熱耗約為210 W。計算模塊：75 W，貼壁安裝；管理模塊：15 W，機箱內(nèi)部兩側(cè)鎖緊；信號處理模塊：65 W，貼壁安裝；電源模塊：30 W，貼壁安裝；音頻模塊：25 W，貼壁安裝。

2.1 材料選擇

綜合材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度及力學(xué)性能，機箱的主要框架采用鋁合金材料，機箱內(nèi)部采用鋼、非金屬絕緣、橡膠、玻璃鍍銀等材料，板卡采用CPEX標準規(guī)范，印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）正面設(shè)計導(dǎo)冷板，并用兩側(cè)的鎖緊機構(gòu)鎖緊，提升板卡的抗振動沖擊性能。導(dǎo)冷板采用6系鋁合金加工成型并進行陽極氧化處理，提升表面的輻射散熱能力。

2.2 冷卻方式選擇

通過機箱內(nèi)部布局可知，機箱主要的熱源集中于機箱的上下表面。機箱寬度W= 42.5 cm，機箱深度D= 36 cm，高度H= 12.25 cm，上下表面的面積A上=A下=W×D=1 530 cm2。

機箱上表面熱量Φ上主要來自計算模塊和音頻模塊的貼壁傳導(dǎo)散熱，Φ上= 75 + 25 = 100 W。上表面的熱流密度φ上=Φ上/A上= 100/1 530 =0.065 W/cm2。

機箱下表面熱量Φ下主要來自信號處理模塊和電源模塊的貼壁傳導(dǎo)散熱，Φ下= 65 + 30 = 95 W。下表面的熱流密度φ下=Φ下/A下= 95/1 530 =0.062 W/cm2。

熱流密度φ上和φ下的值已經(jīng)大于溫升40°C時自然冷卻允許的最大熱流密度0.04 W/cm2，小于強迫空氣冷卻允許的最大熱流密度0.31 W/cm2[5]。因此，機箱上下表面需設(shè)計風(fēng)道，通過強迫風(fēng)冷進行散熱。

整機內(nèi)部體積熱流密度為：

式中，Φ為總熱耗。ψ大于自然冷卻時的內(nèi)部最大體積熱流密度0.009 W/cm3，但小于金屬傳導(dǎo)最大體積熱流密度0.12 W/cm3。因此，內(nèi)部采用金屬傳導(dǎo)方式，同時選擇高導(dǎo)熱率的填充材料，導(dǎo)熱系數(shù)為7 W/(m·K)，最大限度提升發(fā)熱器件的散熱效率。

2.3 強迫風(fēng)冷散熱設(shè)計

根據(jù)熱平衡方程，強迫冷卻所需風(fēng)量[6]為：

式中：Qf為所需風(fēng)量，m3/s；Φ為總熱耗，W；Cp為空氣比熱，J/(kg·°C)；Δt為空氣進出口的溫差，°C；ρ為空氣密度，kg/m3。

風(fēng)道長度l= 416.7 mm，高度h= 5.4× 2 =10.8 mm。

風(fēng)道截面積為：

當(dāng)量直徑為：

風(fēng)道內(nèi)空氣流速為：

雷諾數(shù)：

Re ＞2 200，空氣流動狀態(tài)為紊流[5]。為便于計算，假設(shè)風(fēng)道為完全光滑管道，其對應(yīng)的沿程阻力系數(shù)f可以近似計算為：

通風(fēng)機的總壓力P用來克服通風(fēng)管道的阻力，并在出口處形成一定的速度頭，即：

式中，ζ為局部阻力系數(shù)，查文獻[5]可得ζ=1.5。將上述參數(shù)代入式（8）可得風(fēng)機的總壓力P=31.95 Pa。

選擇風(fēng)機時，需要考慮的因素很多，如風(fēng)量、風(fēng)壓、通風(fēng)機效率、空氣的速度、通風(fēng)系統(tǒng)的阻力特性、環(huán)境條件、噪音、體積和重量等，其中最主要的是風(fēng)量和風(fēng)壓。整機采用19英寸機柜標準機箱，機箱前面板可拆裝，方便模塊的安裝檢修，后面板需安裝航插連接器、導(dǎo)銷等結(jié)構(gòu)件。綜合考慮后選用風(fēng)量大、風(fēng)壓低的軸流式風(fēng)機。

強迫通風(fēng)冷卻時，氣流的方向及通風(fēng)機的位置等將影響冷卻效果。軸流式鼓風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機位于冷空氣入口，將冷空氣直接吹入散熱風(fēng)道，提高風(fēng)道內(nèi)空氣壓力，并產(chǎn)生一部分渦流，改善換熱性能。但是，鼓風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機自身的熱量也被同時帶入風(fēng)道，影響散熱效果。軸流式抽風(fēng)系統(tǒng)從機箱風(fēng)道內(nèi)抽走熱空氣，因此會降低機箱內(nèi)的空氣壓力，風(fēng)機的熱量不會進入散熱風(fēng)道內(nèi)，還可以從整機其他縫隙中吸入一部分冷卻空氣，提高了冷卻效果。

綜合比較鼓風(fēng)和抽風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，根據(jù)機箱結(jié)構(gòu)尺寸，同時考慮機箱前面人員操作位的使用習(xí)慣，將風(fēng)機放置于機箱后面板，選擇從機箱前面板進風(fēng)、后面板出風(fēng)的方式。整機采用抽風(fēng)系統(tǒng)對機箱上下側(cè)壁進行散熱冷卻，風(fēng)機自身的熱量不會進入機箱內(nèi)，無需參與計算。

根據(jù)前文的計算可知，風(fēng)機所需的風(fēng)量Qf=0.019 1 m/s，風(fēng)壓P= 31.95 Pa，同時基于內(nèi)部熱阻及冗余設(shè)計的考慮，按照2倍風(fēng)量選擇風(fēng)機，整機所需總風(fēng)量為0.038 2 m/s。選定2個軸流風(fēng)機并聯(lián)，風(fēng)機的主要參數(shù)為電壓12 V，風(fēng)量0.024 8 m/s，風(fēng)壓65.762 Pa，滿足散熱設(shè)計要求。

3 熱仿真分析

3.1 仿真建模

基于結(jié)構(gòu)三維模型，運用Flotherm軟件對整機進行建模。設(shè)定仿真環(huán)境溫度為設(shè)備最高工作溫度，即55°C，所有發(fā)熱元器件按最大熱耗進行設(shè)置，確保在最嚴格的條件下驗證熱設(shè)計方案的可行性。機箱與導(dǎo)冷板的材料按照實際的鋁合金型號分別設(shè)定材料熱參數(shù)，PCB為覆銅15%的FR4，發(fā)熱元器件與散熱冷板接觸面間隙的填充材料的導(dǎo)熱系數(shù)為7 W/(m·K)。簡化對整機散熱影響較小的螺絲孔、過小圓角等，便于網(wǎng)格劃分。主要假設(shè)如下：

1）主要發(fā)熱器件按照尺寸大小、在PCB中的實際位置和發(fā)熱功率進行建模及熱參數(shù)的設(shè)置，假設(shè)都為均勻熱源；

2）忽略PCB上的不發(fā)熱器件和面板連接器，降低模型的復(fù)雜度。

3.2 網(wǎng)格劃分

劃分網(wǎng)格時，對風(fēng)扇進出風(fēng)口進行網(wǎng)格膨脹，對PCB厚度方向、導(dǎo)熱填充材料、散熱冷板及機箱厚度方向的網(wǎng)格層數(shù)進行限制，對散熱齒、翅片間隙、散熱基板、發(fā)熱元器件周邊及厚度方向進行單獨網(wǎng)格劃分[7]。根據(jù)上述規(guī)則對建好的模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為2 745 000，最大縱橫比為28.7。簡化后的熱仿真模型及網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 某艦載計算機熱仿真模型及網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 仿真結(jié)果分析

本次仿真模擬55°C的高溫工作環(huán)境，采用穩(wěn)態(tài)情況下的穩(wěn)流模型進行求解運算，運行時開啟輻射進行求解，經(jīng)過運算后達到收斂狀態(tài)，進入熱平衡狀態(tài)。整機和各模塊的溫度分布云圖見圖5和圖6，上下風(fēng)道的流速分布云圖見圖7。

圖5 機箱外部溫度分布云圖

圖6 部分模塊溫度分布云圖

圖7 上下風(fēng)道的流速分布云圖

通過上述溫度、風(fēng)速分布云圖可知，整機滿負荷運行時機箱表面溫度梯度小，未出現(xiàn)局部溫度過高現(xiàn)象，說明風(fēng)道設(shè)計合理。

由上下風(fēng)道的流速分布云圖可知，機箱上表面左側(cè)風(fēng)速較大，溫度梯度較小；相對而言右側(cè)風(fēng)速較小，溫度梯度偏大，這與風(fēng)機安裝位置有關(guān)。風(fēng)機主要作用于機箱左側(cè)模塊傳遞的熱量，使發(fā)熱量較大的計算模塊和信號處理模塊的熱量能夠快速散出。機箱右側(cè)的風(fēng)速較低，后續(xù)可對機箱右側(cè)的散熱風(fēng)道進行優(yōu)化，提高風(fēng)速，降低溫度梯度。

整機的主要熱源分布情況如下：管理模塊、電源模塊及音頻模塊溫度相對較低，主要發(fā)熱部位集中于計算模塊和信號處理模塊，溫度最高點位于信號處理模塊上，最高溫度達102°C。對主要發(fā)熱器件的仿真結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 整機發(fā)熱器件仿真結(jié)果統(tǒng)計表

由表1可知，在55°C環(huán)境溫度下，主要發(fā)熱器件的最高殼溫均小于器件的設(shè)計允許最高殼溫，其他發(fā)熱器件的最高殼溫遠小于其結(jié)溫要求，整機熱設(shè)計滿足高溫環(huán)境下正常工作的要求。

4 試驗驗證

將整機放入環(huán)境試驗箱中，外接顯示器、鼠標、鍵盤和溫度探測儀。分別在CPU、GPU、電源1、計算模塊散熱冷板和出風(fēng)口設(shè)置熱電偶用于測溫。

測試時，首先將整機在55°C下保溫2 h，然后運行壓力測試軟件使CPU處于100%滿負荷狀態(tài)。整機在最大功耗狀態(tài)下工作2 h，系統(tǒng)未出現(xiàn)死機、關(guān)機、黑屏等異常現(xiàn)象，工作正常，整機通過了55°C高溫?zé)岘h(huán)境考核。選擇整機穩(wěn)定運行、系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)后各監(jiān)測點的穩(wěn)定溫度值作為最終溫度：CPU為82.3°C，GPU為99.6°C，電源3為98.1°C，計算模塊散熱冷板為91.3°C，出風(fēng)口為64.2°C。

5 結(jié)束語

本文針對某艦載機箱尺寸小、熱耗大、熱源集中的問題，運用傳熱學(xué)理論確定機箱整體的散熱方式，計算出散熱所需的風(fēng)量和風(fēng)壓，確定對應(yīng)的風(fēng)機，運用Flotherm進行仿真分析，并與試驗結(jié)果進行對比，縮短了產(chǎn)品的研制周期。

文中提供的計算選型、仿真建模、網(wǎng)格劃分和試驗測試方法具有通用性，可廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備散熱分析過程中。研究中暫未發(fā)現(xiàn)難以解釋的問題，與其他關(guān)于密閉機箱的散熱分析相比，本文提供的研制方法更具指導(dǎo)意義，可有效提升產(chǎn)品的熱設(shè)計水平。后續(xù)將對同類產(chǎn)品的散熱材料、散熱齒高和齒距、機箱風(fēng)道和風(fēng)機位置進行研究，提升密閉機箱的散熱能力。