熱管模組在機(jī)載ATR密閉機(jī)箱中的應(yīng)用研究*

徐立穎

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十五研究所，北京 100083）

引 言

在機(jī)載設(shè)備內(nèi)，通常要求以ATR形式實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并要求機(jī)箱采用密閉形式，以更好地適應(yīng)機(jī)載應(yīng)用環(huán)境，而密閉機(jī)箱就需要更加有效的散熱結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱源的散熱設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)ATR機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)中，通常是將內(nèi)部熱量傳導(dǎo)至板卡冷板，再經(jīng)楔形導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)將冷板熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱側(cè)壁，通過(guò)機(jī)箱側(cè)壁與外界熱沉之間的熱交換實(shí)現(xiàn)整機(jī)的熱設(shè)計(jì)。在冷板設(shè)計(jì)中，通常采用在冷板中嵌入熱管的方式實(shí)現(xiàn)冷板的快速導(dǎo)熱和均熱。這方面的研究較多，技術(shù)也比較成熟，但冷板和機(jī)箱側(cè)壁的導(dǎo)熱接觸面存在較大的接觸熱阻，嚴(yán)重影響了冷板與側(cè)壁之間的熱傳導(dǎo)效率。

某機(jī)載ATR密閉機(jī)箱內(nèi)集成了多個(gè)中央處理器（Central Processing Unit, CPU）熱源，并且每個(gè)熱源的熱量都比較高。如何在有限的密閉空間內(nèi)應(yīng)用熱管的高導(dǎo)熱特性，設(shè)計(jì)合理有效的熱管模組，解決多個(gè)高熱功耗CPU熱源的導(dǎo)熱和散熱問(wèn)題，成為這類機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 箱體結(jié)構(gòu)

某機(jī)載加固計(jì)算機(jī)項(xiàng)目要求設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)符合1 ATR規(guī)范，其外形尺寸為256.3 mm×194 mm×400 mm。根據(jù)設(shè)備的功能需求，內(nèi)部需要集成4塊主板和1塊電源板，板卡符合6U（1U=44.45 mm）CPCI結(jié)構(gòu)規(guī)范，其中主板均為國(guó)產(chǎn)化自研板卡，單個(gè)主板的熱功耗為80 W，并且機(jī)箱采用ATR結(jié)構(gòu)規(guī)范，整機(jī)為密閉結(jié)構(gòu)。

考慮到加固電子設(shè)備的可維護(hù)性，機(jī)箱內(nèi)部的主板和電源板均設(shè)計(jì)成可獨(dú)立插板的功能模塊，整機(jī)采用CPCI架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，主板模塊和電源模塊經(jīng)安裝在底板上的CPCI背板實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在機(jī)箱前面板布置開(kāi)關(guān)、指示燈以及各功能接口，在后面板設(shè)置2個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，在機(jī)箱兩側(cè)設(shè)置散熱風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)口位于機(jī)箱兩側(cè)前端。通過(guò)后面板風(fēng)機(jī)，將熱沉中的冷空氣帶入機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)，在風(fēng)道內(nèi)完成換熱過(guò)程后，再排入熱沉中。其中，進(jìn)風(fēng)口、風(fēng)道和風(fēng)機(jī)均與機(jī)箱內(nèi)部空間隔離，從而形成外循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)布局圖

1.2 熱源結(jié)構(gòu)

根據(jù)CPCI結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范，主板模塊和電源模塊的結(jié)構(gòu)外形可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)尺寸為250 mm×169.3 mm×22 mm，再結(jié)合ATR機(jī)箱的結(jié)構(gòu)尺寸，主板模塊和電源模塊只能沿前后垂直方向安裝在機(jī)箱內(nèi)，板卡模塊前后設(shè)置導(dǎo)軌板，實(shí)現(xiàn)板卡模塊的插拔和緊固。

機(jī)箱內(nèi)的熱源主要為主板的CPU芯片和電源板的電源轉(zhuǎn)換模塊，其中，CPU熱功耗標(biāo)稱為80 W，根據(jù)電源轉(zhuǎn)換模塊的工作效率和整機(jī)功耗，電源轉(zhuǎn)換模塊的熱功耗在40 W左右，所以機(jī)箱內(nèi)的散熱結(jié)構(gòu)需重點(diǎn)解決主板CPU的散熱問(wèn)題。主板布局如圖2（a）所示，板上集成CPU、電子盤、內(nèi)存、CPCI 連接器、功能接口等。

主板經(jīng)安裝附件、緊固螺釘固定在冷板上，冷板采用硬鋁型材銑加工而成。由于鋁型材具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，所以冷板作為主板的結(jié)構(gòu)安裝基體，實(shí)現(xiàn)了主板的剛性加固設(shè)計(jì)。再在冷板兩端安裝鎖緊條和助拔器，構(gòu)成了ATR機(jī)箱內(nèi)可獨(dú)立插拔的主板模塊。主板模塊結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

圖2 主板布局圖和主板模塊結(jié)構(gòu)圖

依靠CPU導(dǎo)熱基板解決熱源一級(jí)導(dǎo)熱問(wèn)題。CPU熱量第一時(shí)間傳導(dǎo)至導(dǎo)熱基板，再由導(dǎo)熱基板傳導(dǎo)至機(jī)箱熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。CPU導(dǎo)熱基板依靠限位螺釘安裝在冷板上，使得CPU導(dǎo)熱基板受外力頂壓時(shí)與CPU發(fā)熱面形成正壓力，并且保證該正壓力在CPU和主板可承受的范圍內(nèi)。

1.3 熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)

熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是依靠熱管模組，將板卡模塊內(nèi)熱源熱量直接傳導(dǎo)至機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)的肋片散熱器，縮短傳導(dǎo)路徑，實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)性能的最優(yōu)化，并保證板卡模塊的獨(dú)立易插拔特點(diǎn)[1-6]。

在主板模塊和電源模塊加固結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)箱風(fēng)道結(jié)構(gòu)，應(yīng)用熱管模組，將機(jī)箱內(nèi)的每個(gè)熱源的熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱兩側(cè)風(fēng)道內(nèi)的肋片散熱器，通過(guò)機(jī)箱兩側(cè)的肋片散熱器與機(jī)箱兩側(cè)風(fēng)道內(nèi)空氣熱沉之間的熱交換，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱熱源的散熱設(shè)計(jì)。機(jī)箱的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)箱熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

在機(jī)箱內(nèi)部，針對(duì)主板1和主板2的熱源CPU設(shè)置了一套熱管模組，由導(dǎo)熱base板1、導(dǎo)熱base板2、熱管和肋片散熱器1組成；針對(duì)主板3和主板4的熱源CPU設(shè)置了一套熱管模組，由導(dǎo)熱base板3、導(dǎo)熱base板4、熱管和肋片散熱器2組成；針對(duì)電源板上的電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置了一套熱管模組，由導(dǎo)熱base板5、熱管和肋片散熱器3組成。其中，肋片散熱器1、肋片散熱器2和肋片散熱器3的導(dǎo)熱基板置于機(jī)箱內(nèi)部，肋片置于機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)，通過(guò)肋片散熱器導(dǎo)熱基板和機(jī)箱側(cè)壁之間的貼合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)箱內(nèi)部空間的密閉性，并與機(jī)箱風(fēng)道互相隔離。通過(guò)機(jī)箱后面板的軸流風(fēng)機(jī)，將外界空氣由機(jī)箱前部抽入，經(jīng)風(fēng)機(jī)排出，從而形成了機(jī)箱外循環(huán)熱交換風(fēng)道。機(jī)箱內(nèi)部3套熱管模組的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 熱管模組結(jié)構(gòu)和布局圖

以主板1的CPU為例，CPU產(chǎn)生的熱量經(jīng)固定在冷板上的CPU導(dǎo)熱基板傳導(dǎo)至熱管模組1中的導(dǎo)熱base板1，導(dǎo)熱base板1上的熱量經(jīng)熱管傳導(dǎo)至肋片散熱器1后，即完成了CPU熱源在機(jī)箱內(nèi)的熱傳導(dǎo)。通過(guò)肋片散熱器1在機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)的熱交換，實(shí)現(xiàn)了CPU的散熱設(shè)計(jì)。

熱管模組采用水質(zhì)燒結(jié)熱管。此型熱管導(dǎo)熱功率高，成本低，工藝成熟。熱管的導(dǎo)熱功率與自身管徑、長(zhǎng)度、外形等因素有關(guān)。熱管的管徑越大，導(dǎo)熱功率就越高。隨熱管長(zhǎng)度的增加，其導(dǎo)熱功率逐漸降低。熱管折彎、壓扁都會(huì)影響其導(dǎo)熱功率。每種管徑熱管都對(duì)應(yīng)有最小折彎半徑，管徑在12.7 mm以下的熱管，其最小折彎半徑為90°。當(dāng)熱管壓扁后的厚度低于5 mm時(shí)，其導(dǎo)熱功率隨厚度的減小而降低。

以熱管模組1為例，根據(jù)以上熱管導(dǎo)熱特性，結(jié)合熱管模組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式和熱源熱功耗，導(dǎo)熱base板1經(jīng)2根直徑為8 mm的U型熱管與肋片散熱器1的導(dǎo)熱基板焊接為一整體。由于主板1中CPU的發(fā)熱功率為80 W，1根直徑為8 mm的熱管的導(dǎo)熱功率為78 W，2根熱管的總導(dǎo)熱功率為156 W，在熱源導(dǎo)熱需求方面預(yù)留了約1倍的冗余量。熱管通常采用圓形斷面，經(jīng)2次90°折彎后形成U型熱管，一端與導(dǎo)熱base板焊接，另一端與散熱器的導(dǎo)熱基板焊接。導(dǎo)熱base板和導(dǎo)熱基板的焊接結(jié)構(gòu)特征為直徑8 mm的圓柱面。此種熱管外形和焊接匹配結(jié)構(gòu)特征便于熱管模組焊接前的組裝定位，提高了導(dǎo)熱base板和導(dǎo)熱基板之間的距離精度，避免了在熱管模組組裝、焊接中導(dǎo)熱base板與導(dǎo)熱基板之間的空間距離對(duì)熱管空間角度的要求。因?yàn)樵跓峁苣＝M的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，既要保證熱管吸熱端在導(dǎo)熱base板上的位置正對(duì)熱源中心位置，也要實(shí)現(xiàn)熱管散熱端在散熱器導(dǎo)熱基板上均勻布置，從而最大程度地保證熱管的導(dǎo)熱效率，并且在熱管模組1和熱管模組2中，2個(gè)熱源共用1個(gè)肋片散熱器換熱，使得熱管模組1和熱管模組2中各有4根U型熱管，所以每根熱管在空間上的角度都不一樣。

直徑為8 mm的熱管的最小折彎半徑為24 mm，而機(jī)箱內(nèi)所有熱管模組中熱管的折彎半徑均為25 mm，每根熱管長(zhǎng)度均小于300 mm，在熱管外形、長(zhǎng)度方面最大程度地保證了熱管的導(dǎo)熱功率，在熱管模組的導(dǎo)熱方面實(shí)現(xiàn)了冗余設(shè)計(jì)。

2 熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)理論分析

機(jī)箱內(nèi)熱源的散熱效率不僅取決于熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能，還與強(qiáng)迫風(fēng)冷中的風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)和肋片散熱器中的肋片參數(shù)設(shè)計(jì)有關(guān)。下面分別從熱管模組的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)、風(fēng)機(jī)選型和熱管模組的肋片參數(shù)3個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)計(jì)算

從熱源到散熱器的換熱肋片，其熱傳導(dǎo)路徑為熱源→相變導(dǎo)熱膏→CPU導(dǎo)熱基板→銦箔→導(dǎo)熱base板→焊錫層→熱管→焊錫層→散熱器導(dǎo)熱基板→肋片。每個(gè)傳導(dǎo)路徑結(jié)構(gòu)可視為單層平壁導(dǎo)熱，其導(dǎo)熱量Φ的計(jì)算公式為[7-12]：

式中：k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；A為垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積；Δt為平壁兩側(cè)的溫度差；δ為平壁的厚度。

如果已知熱流量，則式（1）可轉(zhuǎn)換為：

通過(guò)式（2）可以計(jì)算出各傳導(dǎo)路徑間的溫差，從而判斷導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的散熱性能。熱傳導(dǎo)路徑間的溫差為：

ΔtCPU-主板1= Δt相變導(dǎo)熱膏+ ΔtCPU導(dǎo)熱基板+Δt銦箔+Δt導(dǎo)熱base板+Δt焊錫層+Δt熱管+Δt焊錫層+Δt散熱器導(dǎo)熱基板= 2.616 + 1.365 + 0.386 + 0.956 +0.148 + 0 + 0.187 + 0.257 = 5.914°C。 同理，ΔtCPU-主板2= 5.914°C，ΔtCPU-主板3= 6.254°C，ΔtCPU-主板4=6.254°C，Δt電源轉(zhuǎn)換模塊=1.458°C。

由于主板1和主板2共用一個(gè)熱管模組，其中的導(dǎo)熱base板和散熱器導(dǎo)熱基板結(jié)構(gòu)一致，所以兩個(gè)主板上CPU和肋片之間的溫差結(jié)果相同。同理，主板3和主板4上CPU和肋片之間的溫差結(jié)果相同。

熱管的導(dǎo)熱系數(shù)為10 000 W/(m·K)，熱管吸熱端和散熱端之間的溫差近似為0。為了降低傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的接觸熱阻，在CPU與CPU導(dǎo)熱基板之間填充相變導(dǎo)熱膏，在CPU導(dǎo)熱基板與導(dǎo)熱base板之間填充銦箔。相變導(dǎo)熱膏具有填充厚度小、導(dǎo)熱系數(shù)大的特點(diǎn)，有助于提高CPU一級(jí)導(dǎo)熱效率；銦箔為金屬導(dǎo)熱材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)大，硬度低，在外力作用下可產(chǎn)生形變，可最大程度地降低組裝配合結(jié)構(gòu)之間的接觸熱阻。

由熱傳導(dǎo)路徑間的溫差計(jì)算結(jié)果可以看出，熱源和散熱肋片之間的溫差較小，熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱效率較高。

2.2 風(fēng)機(jī)選型計(jì)算

強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱系統(tǒng)中的熱平衡方程為[13]：

式中：Qf為機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量；ρ為空氣的密度；cp為空氣的比熱容。

機(jī)箱內(nèi)熱源的總功耗為80×4+40 = 360 W，帶入公式（3），求得機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)量為Qf=0.032 77 m3/s = 1.966 m3/min。初步選擇型號(hào)為4412H（120 mm×120 mm×38 mm）的EBM軸流風(fēng)機(jī)。該風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量為3.956 m3/min，其特性曲線如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)特性曲線圖

下面通過(guò)計(jì)算機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生的壓力損失，分析風(fēng)機(jī)在機(jī)箱內(nèi)實(shí)際工作時(shí)的風(fēng)量值。機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)的壓力損失主要指的是沿程壓力損失和局部阻力損失。其中，沿程壓力損失Δpl的計(jì)算公式為：

式中：f為沿程阻力系數(shù)；l為風(fēng)道長(zhǎng)度；V為風(fēng)冷空氣速度；dc= 4A/V（V=Qf/A，帶入數(shù)值得V= 0.032 77/0.003 51 = 9.336 m/s），帶入數(shù)值計(jì)算得dc=0.043 6 m。

在一個(gè)大氣壓時(shí)，雷諾數(shù)公式為：

式中，μ為干燥空氣的動(dòng)力粘度。

經(jīng)計(jì)算，Re= 22 245。風(fēng)道的絕對(duì)粗糙度取ε= 0.01，風(fēng)道的相對(duì)粗糙度ε/dc= 0.01/43.6 =0.000 23。

根據(jù)雷諾數(shù)Re和相對(duì)粗糙度的值可查得沿程阻力系數(shù)f= 0.014[14]。在機(jī)箱風(fēng)道中，風(fēng)道長(zhǎng)度l=0.3 m。將上述值帶入式（4）得：

式中：Σ為局部阻力之和；ζ為局部阻力系數(shù)。

根據(jù)機(jī)箱內(nèi)風(fēng)道的結(jié)構(gòu)特征，經(jīng)查此時(shí)的ζ=0.8。代入式（7）求得風(fēng)道的局部阻力損失為38.1 Pa，則機(jī)箱內(nèi)總的壓力損失Δp=Δpl+Δpc=4.59+38.1=42.69 Pa。對(duì)照?qǐng)D5中的風(fēng)機(jī)特性曲線，當(dāng)風(fēng)壓為42.69 Pa時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為2.81 m3/min，按照2倍冗余量對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，單個(gè)風(fēng)機(jī)風(fēng)量大于機(jī)箱所需的風(fēng)量值1.94 m3/min，所以選擇此型號(hào)的軸流風(fēng)機(jī)能夠滿足機(jī)箱強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱需求。

2.3 肋片參數(shù)計(jì)算

首先，通過(guò)求得邊界層厚度，推斷出肋片散熱器中肋間距的取值范圍。當(dāng)氣流的速度邊界層為層流時(shí)，任一x（肋片長(zhǎng)度）處的邊界層厚度δ為：

當(dāng)速度邊界層為紊流時(shí)，任一x（肋片長(zhǎng)度）處的邊界層厚度δ為：

式中，Rex為x處的雷諾數(shù)。在設(shè)計(jì)肋片參數(shù)時(shí)，肋間距取值通常不得小于速度邊界層厚度值。

通過(guò)前文計(jì)算， 機(jī)箱內(nèi)散熱結(jié)構(gòu)的雷諾數(shù)Re= 22 245，帶入式（9），得紊流氣流的邊界層厚度為0.004 891 m，即機(jī)箱側(cè)面肋片散熱器的肋間距應(yīng)不小于4.891 mm。

根據(jù)已有的研究結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)，在肋間距、肋高和肋片基板面積一定的情況下，肋片厚度越小，肋片數(shù)量就越多，肋片散熱器的散熱性能就越好。所以熱管模組中肋片散熱器的肋片厚度取0.5 mm，可經(jīng)銑加工或鏟齒工藝實(shí)現(xiàn)，既能保證肋片的加工質(zhì)量，也能最大限度地提升肋片散熱器的散熱性能。

肋片散熱器的熱阻大致由肋片散熱器基板的導(dǎo)熱熱阻、肋片空隙間基板的對(duì)流換熱熱阻和所有肋片的散熱熱阻組成。

在ATR機(jī)箱中，熱源CPU的理想工作溫度不高于90°C，肋片散熱器中導(dǎo)熱基板的最高允許溫度t0=90°C，設(shè)備在高溫工作環(huán)境中空氣溫度tf=50°C，由此可知空氣的定性溫度tm=(t0+tf)/2= 70°C。根據(jù)定性溫度查閱GJBZ 27—92《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》[15]附錄表E1的干燥空氣物理參數(shù)，得普朗特?cái)?shù)Pr= 0.694，運(yùn)動(dòng)粘度ν= 20.02×10?6m2/s，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)k2=0.029 7 W/(m·°C)。

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中， 風(fēng)冷空氣速度V=9.336 m/s。當(dāng)冷空氣流經(jīng)肋片時(shí)，對(duì)流換熱的特征尺寸D可看作是肋片長(zhǎng)度H，H=0.095 5 m。

努塞爾數(shù)公式為：

式中，h為肋片的平均對(duì)流換熱系數(shù)。

散熱系統(tǒng)雷諾數(shù)Re= 222 45，根據(jù)式（10）可以推導(dǎo)出肋片的平均對(duì)流換熱系數(shù)h為：

將Re,Pr,k2和D的數(shù)值帶入式（11）計(jì)算得h=27.27 W/(m2·°C)。

下面分別計(jì)算肋片、散熱基板和基板空隙的散熱熱阻值。單個(gè)肋片的散熱熱阻Rf的計(jì)算公式為：

式中：基板的厚度δb=0.006 m；k1=216 W/(m·°C)；散熱基板的表面積A1= 0.095 5× 0.135 =0.012 9 m2。將這些數(shù)值帶入式（13） 得Rb=0.002 16°C/W。

肋片空隙間基板的散熱熱阻Rg的計(jì)算公式為：

式中：h1為基板的肋片空隙處的換熱系數(shù)，在文中近似認(rèn)為它與肋片的平均對(duì)流系數(shù)相當(dāng)， 為27.27 W/(m2·°C)；基板的肋片空隙間的表面積A2=A1?NδH=0.012 9?25×0.000 5×0.095 5=0.003 584 m2（N為肋片個(gè)數(shù)）。

將上述數(shù)值帶入式（14）得Rg= 3.13°C/W，所以肋片散熱器總的熱阻R=Rb+RfRg/(NRf+NRg) = 0.093°C/W[15]。也就是說(shuō)，當(dāng)肋片厚度為0.000 5 m，肋間距為0.005 m，肋高為0.026 m時(shí)，肋片散熱器總的熱阻值為0.093°C/W。單個(gè)熱源功耗為80 W，在肋片散熱器上產(chǎn)生的溫差為0.093×80=7.4°C。該數(shù)值較小，說(shuō)明肋片散熱器具有較好的散熱性能。

3 熱仿真分析

通過(guò)對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)的熱仿真分析，可以比較直觀地檢驗(yàn)機(jī)箱熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)是否滿足機(jī)箱內(nèi)部熱源的散熱需求[16-18]。

3.1 仿真模型

為了比較真實(shí)地反映機(jī)箱內(nèi)部熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，內(nèi)部3套熱管模組采用CAD設(shè)計(jì)模型直接導(dǎo)入仿真軟件Icepak中，其余機(jī)箱熱仿真相關(guān)模型應(yīng)用Icepak內(nèi)部工具直接建模，并忽略機(jī)箱中所有與散熱無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)特征，從而最簡(jiǎn)化、最真實(shí)地體現(xiàn)出機(jī)箱整體的熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[16-18]。機(jī)箱的熱仿真模型如圖6所示，其中CAD模型采用實(shí)體狀態(tài)顯示，Icepak自建模型采用線條顯示。

圖6 機(jī)箱熱仿真模型圖

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)機(jī)箱熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值，精確設(shè)置仿真模型參數(shù)，如熱管導(dǎo)熱系數(shù)、接觸熱阻、肋片參數(shù)等。經(jīng)仿真模擬，在環(huán)境溫度為20°C時(shí)，機(jī)箱熱仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 機(jī)箱熱仿真結(jié)果圖

由圖7可知，當(dāng)機(jī)箱應(yīng)用型號(hào)為4412H的軸流風(fēng)機(jī)、熱管模組一端肋片散熱器的肋片厚度為0.5 mm，肋片間距為5 mm時(shí)，機(jī)箱內(nèi)部溫度最高點(diǎn)是主板3和主板4的CPU熱源，溫度值為56.74°C。此時(shí)機(jī)箱內(nèi)部最大風(fēng)速為7.92 m/s，與風(fēng)道內(nèi)空氣流速計(jì)算值（V=9.336 m/s）相差1.416，較為接近，表明關(guān)于機(jī)箱熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的理論分析計(jì)算數(shù)值合理可信。

通過(guò)獲取熱源CPU的溫度，得出主板1、主板2的CPU溫度比主板3、主板4的CPU溫度低9°C左右。其主要原因是熱管模組1中的肋片散熱器的有效換熱體積幾乎是熱管模組2的2倍（熱管模組2和熱管模組3的肋片散熱器共用機(jī)箱右側(cè)風(fēng)道）。由此可見(jiàn)，增加熱管模組中肋片散熱器的換熱能力，可有效提升熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)的散熱性能。

在改變熱管模組中肋片散熱器的肋間距而肋片厚度不變的情況下，肋片數(shù)量將相應(yīng)發(fā)生變化。經(jīng)熱仿真分析，機(jī)箱的散熱效果見(jiàn)表1。

表1 機(jī)箱熱仿真分析匯總表

由表1可知，當(dāng)肋片散熱器的肋片間距增大時(shí)，機(jī)箱內(nèi)部的最高溫度和最大風(fēng)速也相應(yīng)增加。其原因是肋片間距加大后，機(jī)箱內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)阻降低，從而使風(fēng)速加快；肋片間距的增加會(huì)使肋片數(shù)量減少，從而使肋片散熱器的換熱能力下降，導(dǎo)致熱源溫度升高。當(dāng)肋片間距過(guò)小，低于邊界層厚度時(shí)，肋片間的風(fēng)阻增大，在肋片進(jìn)出口間產(chǎn)生風(fēng)速差，從而降低機(jī)箱的散熱性能。所以經(jīng)綜合考量，肋片厚度0.5 mm和肋片間距5 mm是肋片參數(shù)設(shè)計(jì)的最佳值。

對(duì)比表1中第3次和第6次的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只增加機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口尺寸后，機(jī)箱的散熱性能幾乎沒(méi)有改變，說(shuō)明機(jī)箱現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)口尺寸可以滿足機(jī)箱風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)量需求；對(duì)比表1中第3次和第7次的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)箱環(huán)境溫度為50°C時(shí)，機(jī)箱內(nèi)部熱源的最高溫度為86.77°C，遠(yuǎn)低于CPU高溫運(yùn)行的上限值，說(shuō)明機(jī)箱的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)可有效解決熱源的散熱問(wèn)題。

4 試驗(yàn)測(cè)試

在交付環(huán)境試驗(yàn)中，在高溫50°C環(huán)境下，整機(jī)滿載工作正常，運(yùn)行穩(wěn)定，順利通過(guò)了溫度應(yīng)力試驗(yàn)。對(duì)熱源CPU的殼溫監(jiān)測(cè)表明：在高溫50°C環(huán)境下，機(jī)箱內(nèi)熱源CPU的平均殼溫為85.75°C，CPU的最高殼溫為89.4°C，均在可接受的溫度范圍內(nèi)，說(shuō)明機(jī)箱的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足多個(gè)高熱量CPU的散熱需求，可以保證整機(jī)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

對(duì)比機(jī)箱的熱仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高溫50°C環(huán)境下，機(jī)箱內(nèi)部熱源CPU的最高溫度為86.77°C，在CPU實(shí)際溫升監(jiān)測(cè)數(shù)值范圍內(nèi)（CPU實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值范圍為79.9°C～89.4°C）。由此可以看出，機(jī)箱的熱仿真分析方法和結(jié)果可作為機(jī)箱熱設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)依據(jù)，從而判斷機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否滿足熱源的散熱需求。

在整機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)CPU溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在CPU導(dǎo)熱基板與熱管模組中的導(dǎo)熱base板之間填充銦箔時(shí)，CPU溫度比填充導(dǎo)熱系數(shù)為8 W/(m·K)的導(dǎo)熱襯墊時(shí)降低了約3°C，且與導(dǎo)熱襯墊相比，銦箔自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更大，抗壓能力更強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)更高，更適合填充在可插拔模塊與機(jī)箱導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)之間的純金屬結(jié)構(gòu)件之間。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某機(jī)載ATR密閉機(jī)箱內(nèi)熱管模組的設(shè)計(jì)、計(jì)算和仿真分析，說(shuō)明了熱管模組具備較好的散熱性能，解決了機(jī)箱內(nèi)多個(gè)高熱功耗熱源的散熱問(wèn)題，設(shè)備可在高溫試驗(yàn)環(huán)境下穩(wěn)定可靠運(yùn)行。文中介紹的熱管模組充分利用了熱管結(jié)構(gòu)形式的多樣化和高效導(dǎo)熱性，將機(jī)箱內(nèi)部的熱源發(fā)熱端與機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)散熱的肋片散熱器直接連在一起，組成了熱管散熱模組，改變了傳統(tǒng)ATR機(jī)箱中依靠結(jié)構(gòu)件導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)熱管模組的理論分析，給出了熱傳導(dǎo)路徑、肋片散熱器的分析計(jì)算方法；應(yīng)用熱仿真分析軟件，在設(shè)計(jì)階段對(duì)整機(jī)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了模擬，直觀準(zhǔn)確地反映了熱設(shè)計(jì)效果。本文給出的應(yīng)用熱管模組解決密閉機(jī)箱內(nèi)熱源散熱問(wèn)題的有效方法，可指導(dǎo)類似機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。為了更好地實(shí)現(xiàn)熱管模組的散熱性能，后續(xù)還需針對(duì)熱源和熱管模組之間的導(dǎo)熱效率以及熱管模組在機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)的散熱效率進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化研究。