一種開放式風冷機箱內部器件溫度評估方法*

2021-08-23 03:55:22劉冠宏

電子機械工程 2021年4期

劉冠宏

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安 710068）

引言

隨著電子技術的快速發展，設備的功率密度越來越大，散熱不良導致的熱失效成為電子設備失效的主要形式。據統計，超過60%的電子設備失效問題是由散熱問題引起的[1-2]。因此，能夠解決電子設備過熱問題的熱分析、熱設計和熱測試技術得到了迅速發展[3]。

在電子設備的設計階段就需要通過復雜的仿真計算來獲得模塊內部發熱器件的溫度，進而估測電子設備能否滿足規定的環境條件。由于模塊化和綜合化的迅猛發展，多廠家的協同研發越來越普遍。系統級的熱分析往往需要收集各個廠家的數模和熱源分布情況才能進行。這樣，不合理的設計使整個系統的分析和設計過程多次重復，進而消耗大量的時間和精力。因此非常有必要尋找一種既能估算系統內器件的溫度又可降解系統指標的相對簡單的方法來指導設計。

對于多維穩態導熱問題，往往要通過有限元法建立復雜的連續性方程，再通過尋找邊界條件求解，但該方法適用于軟件仿真而不適合人力計算。

楊晨光、楊愛波等分別對硅基微槽和矩形肋片的熱阻抗進行了研究，通過熱阻抗來分析、優化散熱結構的散熱性能[4-5]。張華玲等建立了低氣壓條件下某被服系統的系統熱阻計算模型，進而對系統的總熱阻進行了計算和研究[6]。于翰文等對某雙驅動進給系統進行了熱阻網絡等效，從而獲得了其溫度場分布模型，最終計算出了滾球絲杠的軸向熱誤差[7]。等效熱阻網絡可以應用于電子設備的機箱設計，一些研制任務書里也對某些通用件的熱阻值及接觸熱阻值進行了規定。

本文以開放式風冷機箱為例，提出了一種等效熱阻模型的計算方法，將機箱的傳熱計算分解成了求解系統各個傳熱環節熱阻的問題，使熱分析變得簡單且可分解。

1 開放式風冷機箱結構簡介

1.1 開放式風冷機箱結構組成

本文選用的算例為一個車載開放式風冷機箱模型，其結構形式為一個標準的7U（1U=44.45 mm）插箱，外形如圖1所示。

圖1 開放式風冷機箱外形圖

該機箱由上下導軌、上下蓋板、2塊側板、母板、前后蓋板及內插模塊組成，如圖2所示。機箱內部的框架上按模塊高度要求安裝導軌，導軌在模塊插拔時起導向的作用。模板背板從后面固定在機箱上。各功能模塊（現場可更換模塊）可沿機箱中的導軌推入，通過鎖緊機構鎖定。鎖緊機構采用滑塊鎖緊形式，能夠滿足機箱的沖擊、振動要求。插拔機構在模塊插入和拔出時提供足夠的插入和分離力，保證模塊與母板之間的連接器穩定地插入和分離。導軌、側板、蓋板及母板圍起來形成上下風道。2臺風機安裝在機箱的后蓋板上。

圖2 開放式風冷機箱組成圖

該機箱內插12個基于ASAAC標準的現場可更換模塊（Line Replaceable Module, LRM）。LRM模塊的組成如圖3所示。

圖3 LRM模塊組成圖

盒體由鋁合金銑加工而成。印制板固定在盒體內部，為了滿足散熱要求，安裝在印制板上的發熱器件頂部通過導熱脂與散熱蓋板緊貼在一起。連接器用于連接母板，傳遞數據，在結構上起定位的作用。側面通過螺釘連接散熱蓋板，散熱蓋板上的散熱齒增大了換熱面積，起到了優化散熱效果的作用。盒體上下兩側安裝楔形鎖緊條，后立面安裝插拔機構，二者將模塊固定、鎖緊在機箱內。

1.2 風道設計

機箱內的上下導軌設計了通風口，如圖4所示。該設計起到了引流的作用。機箱后蓋上風扇的工作方式為抽風。空氣從設備前面板下部的通風口進入設備，通過下導軌的通風口沿著模塊的間隙向上，通過上導軌的通風口，最后被風扇抽離機箱。

圖4 開放式風冷機箱導軌示意圖

整個機箱的風道為“Z”字形風道，其設計如圖5所示。由圖5可知：由機箱的上蓋板、上導軌和2個側板組成的空間為上風道；由機箱的下蓋板、下導軌、2個側板及母板組成的空間為下風道；2個模塊之間的間隙和導軌的通風口構成了模塊間的風道。

圖5 開放式風冷機箱風道示意圖

模塊內部發熱器件緊貼散熱蓋板的背面，其熱量一部分傳導至散熱蓋板的散熱齒面，與模塊間風道的空氣換熱，一部分傳導至模塊上下表面的導軌上，與上下風道的空氣對流換熱，還有一部分傳導至與模塊散熱蓋板相對的盒體底面，與模塊間風道的空氣換熱。此外，模塊的散熱面和盒體底面與鄰近模塊的盒體底面和散熱面之間還存在輻射換熱。

2 開放式風冷機箱熱阻計算

2.1 等效熱阻網絡

由于強迫對流散熱帶走了絕大部分熱量，輻射散熱比重較小，且模塊表面平整度較高，黑度較低，對溫度變化的影響較小，因此本文在等效模型時暫不考慮輻射散熱。

根據上一節描述的傳熱路徑，模塊內部發熱器件產生熱量后的熱流示意圖如圖6所示。

圖6 熱流示意圖

芯片熱量從芯片殼體沿著圖6所示的各個傳熱環節傳播到冷卻空氣中。將每個傳熱環節看作是并聯或串聯的一個熱阻值，可以得到整個開放式風冷機箱的等效熱阻網絡圖，如圖7所示。

圖7 等效熱阻網絡圖

若計算出各傳熱環節的熱阻值，則由此模型可以計算得到整個等效熱阻網絡的總熱阻值，進而通過傳導熱量和冷卻氣體的溫度求得器件內部的溫度。發熱器件殼溫td的計算公式為：式中：Δt為溫度的變化值；tf為冷卻空氣的溫度；Φ為器件的發熱功率；R總為整個等效熱阻網絡的熱阻值。

2.2 熱阻分析及計算

2.2.1 傳導散熱熱阻值計算

熱量在模塊殼體中不同方向的傳播已被分解為不同的傳熱環節，故可將模塊殼體中的每個傳熱環節視為一維平壁導熱問題。此時，導熱平壁熱阻Rt的計算公式為[1]：

式中：K為平壁的導熱系數；δ為熱傳播方向的殼體長度；A為與傳播方向垂直的截面面積。

接觸熱阻可以通過查閱相關手冊獲得。文中各模塊的發熱器件位于印制板正中的位置，大小為10 mm×10 mm。發熱器件頂部與盒體接觸處涂有導熱脂，導熱脂的熱阻為Rc1=7×10-6m2·°C/W[8-9]；蓋板與盒體的接觸及模塊與導軌的接觸均為在較大壓力下的鋁合金材料之間的直接接觸，其接觸熱阻Rc2= 5×10-4m2·°C/W。模塊所選的鎖緊條單側綜合接觸熱阻為0.3°C/W。

設備的材料為鋁合金，材料的導熱系數k=117 W/（m·°C）。模塊散熱面的大小為233.4 mm（長）×160 mm（高），模塊壁厚均為2 mm，蓋板下嵌到盒體中，接觸面寬1 mm，模塊總厚度為25 mm。由此可以求得熱量由發熱器件殼體傳導至散熱面的熱阻值R1：

式中：δ1為模塊散熱蓋板的厚度；A1為模塊散熱蓋板的面積；Rjc1為模塊內部發熱器件與模塊殼體的接觸熱阻。

熱量由發熱器件殼體傳導至上下側面的熱阻值R2和R3為：

式中：δ2為模塊內部發熱器件與上側面的距離；A2為垂直于此熱傳導路徑的模塊殼體截面面積；Rjc2為該傳熱路徑上總的接觸熱阻。

熱量由發熱器件殼體傳導至設備上下導軌通風面的熱阻值R4和R5為：

式中：δ3為模塊上側面與模塊、導軌鎖緊面之間的距離；A3為垂直于此熱傳導路徑的模塊殼體截面面積；δ4為鎖緊條的厚度；A4為垂直于此熱傳導路徑的鎖緊條截面面積；δ5為上導軌的厚度；A5為垂直于此熱傳導路徑的導軌截面面積；Rjc3為該傳熱路徑上總的接觸熱阻。

熱量由發熱器件殼體經由盒體上下側面傳導至盒體底面的熱阻值R6和R7為：

式中：δ6為模塊上側面的寬度；A6為垂直于此熱傳導路徑的側面截面面積；δ7為盒體底面的厚度；A7為盒體底面面積；Rjc4為該傳熱路徑上總的接觸熱阻。

熱量由發熱器件殼體經由盒體立面傳導到盒體底面的熱阻值R8為：

式中：δ8為模塊內部發熱器件到模塊立面的距離；A8為垂直于此熱傳導路徑的模塊殼體截面面積；δ9為盒體底面的厚度；A9為盒體底面面積；Rjc5為該傳熱路徑上總的接觸熱阻。

2.2.2 對流換熱熱阻值計算

對流換熱熱阻Rf的計算公式為：

對于強迫對流換熱機箱，風道內氣體的雷諾數：

式中：ω為風道中空氣的流速；d為風道的當量直徑；ν為空氣在特征溫度下的運動粘度。

紊流時，一般取104≤Re ≤105，可以求得考爾本數：

該設備要求在60°C高溫下正常工作，由于風機選擇所留余量較大，冷卻空氣進出口溫升不高，因此此處取定性溫度為60°C。由《電子設備熱設計》[1]的附錄A可以查得空氣的物性參數：質量定壓熱容cp= 1 005 J/（kg·°C），密度ρ= 1.06 kg/m3，粘度μ=2.05×10-5kg/（m·s），普朗特數Pr=0.696，運動粘度ν=18.97×10-6m2/s。

該機箱選用的風機單臺風量為200 m3/h，2臺風機的風量共0.111 m3/s，上下風道的入口大小為401 mm（長）×43 mm（寬），可以求得上下風道中空氣的流速ω1為：

式中：Q1為風機的流量；S1為上下風道的截面積。

導軌的通風孔一共有13 個，通風孔的大小為218.4 mm（長）×10.6 mm（寬），假設它們之間的風速相等，則模塊間風道中的空氣流速ω2為：

式中，S2為模塊間風道的截面積。

上下風道的當量直徑d1為：

式中，U1為上下風道的截面周長。

模塊間風道的當量直徑d2為：

式中，U2為模塊間風道的截面周長。

可以得到上下風道中空氣的雷諾數Re1為:

可以求得上下風道中空氣的考爾本數J1：

上下風道空氣的質量流量G1為：

可以求得上下風道中空氣的換熱系數hc1：

由此得到上下風道中空氣的傳熱熱阻Rf1和Rf2：

式中，A10為機箱上下導軌的換熱面積。

用同樣的方法可以得到模塊間風道的熱阻Rf3：

由以上熱阻值可算出整個熱阻網絡的熱阻R總：

3 仿真驗證

根據以往的工程經驗，只要仿真條件設置合理，仿真結果與實測結果的誤差可以控制在較小的范圍內。本文選取軟件仿真來驗證上述計算結果。

3.1 Flotherm軟件仿真

Flotherm采用了成熟的CFD和數值傳熱學仿真技術，并成功結合了FLOMERICS公司在電子設備傳熱方面的大量獨特經驗和數據庫，是專業的電子系統散熱仿真分析軟件。本文選用Flotherm軟件對該機箱進行熱仿真分析，使用MCAD模塊導入模型，并對模型進行了合理的簡化：去除造型上的圓角、倒邊圓等，保留散熱齒和風道的完整造型，用打孔板代替進風孔。簡化模型如圖8所示。