密閉搖架機(jī)柜散熱設(shè)計及實驗研究

廖全文，劉曉紅，高超，李曉峰，劉舒昕

（北京無線電測量研究所,北京 100854）

引言

傳統(tǒng)的電子機(jī)柜一般采用外循環(huán)風(fēng)冷散熱形式，最終由空調(diào)設(shè)備帶走機(jī)柜的熱量，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點。但是，當(dāng)機(jī)柜熱量持續(xù)增長，機(jī)柜通風(fēng)量需求增加，風(fēng)機(jī)選型變得困難，風(fēng)機(jī)功率增加使得機(jī)柜整體噪音難以控制。隨著防空反導(dǎo)武器系統(tǒng)的發(fā)展，電子機(jī)柜整體發(fā)熱量越來越大，綜合考量散熱量、靜謐性和環(huán)境適應(yīng)性等各因素對散熱設(shè)計提出了更高的要求[1-5]。

液冷機(jī)柜方案是解決散熱量與噪音之間矛盾的最有效手段，主要包括插件液冷和插件風(fēng)冷兩種形式。第一種形式，插件冷板中內(nèi)置流道，發(fā)熱器件貼合于冷板，冷卻液直接流經(jīng)冷板內(nèi)流道帶走器件的熱量。液體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高于空氣1～2個數(shù)量級，不僅機(jī)柜的散熱能力顯著增強(qiáng)，而且機(jī)柜內(nèi)部沒有風(fēng)機(jī)等噪聲源，機(jī)柜的散熱能力、靜謐性、環(huán)境適應(yīng)性顯著提高。第二種形式，插件仍然采用風(fēng)冷形式，機(jī)柜內(nèi)安裝氣-液換熱器帶走機(jī)柜內(nèi)部熱量。與風(fēng)冷機(jī)柜的最大不同是，這種機(jī)柜可以做成密閉式，降低機(jī)柜的整體噪音。此外，機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)路循環(huán)與機(jī)柜外部獨立，可提高環(huán)境適應(yīng)性。雖然從散熱量、噪音方面第一種形式優(yōu)于第二種，但是從實施難度、可靠性和成本方面第二種形式要優(yōu)于第二種。

本文對一種密閉式搖架機(jī)柜進(jìn)行熱設(shè)計，并進(jìn)行了實驗和仿真驗證。采用在機(jī)柜底部放置一個氣-液換熱器，機(jī)柜前部送風(fēng)后部回風(fēng)，三個插箱采用前進(jìn)后出的并聯(lián)通風(fēng)形式。首先對機(jī)柜的穩(wěn)態(tài)工作和瞬態(tài)啟動工況進(jìn)行仿真和實驗分析，然后對氣-液換熱器和插箱的風(fēng)機(jī)配置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最后進(jìn)行了風(fēng)機(jī)損壞實驗和機(jī)柜降噪測試。該研究結(jié)果對密閉式搖架機(jī)柜的熱設(shè)計提供了重要支撐。

1 散熱需求

1.1 密閉搖架機(jī)柜功耗設(shè)備

密閉搖架機(jī)柜主要功耗設(shè)備如圖1所示，機(jī)柜內(nèi)部包括3個插箱和2個功能模塊。預(yù)計每個插箱的熱量含電源插件平均約1300 W，最高約1700 W，每個功能模塊的熱量約在150 W左右，整個機(jī)柜的總熱量約4200 W。密閉搖架機(jī)柜為平臺化產(chǎn)品，為保證機(jī)柜的通用性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上各插箱位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有通用性，在散熱設(shè)計上各插箱位置的散熱能力應(yīng)具有一致性，在可靠性設(shè)計上機(jī)柜應(yīng)具備優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖1 密閉搖架機(jī)柜通風(fēng)設(shè)計

1.2 熱負(fù)荷

整個機(jī)柜的熱量主要來自插箱，功能插件的最大熱量和平均熱量分別為4255 W和3470 W。各組合內(nèi)包含的插件基本相同，組合1的熱量最高，最大熱量為1545 W，其余兩組合最大熱量均為1355 W。考慮插箱中電源插件的熱量，按電源插件效率90 %計算，電源插件的熱量約425 W。因此，整個機(jī)柜內(nèi)插箱的總熱量最大約為4680 W，平均約為3800 W。

1.3 熱設(shè)計要求

密閉搖架機(jī)柜通過氣-液換熱器給機(jī)柜內(nèi)插箱散熱，要求氣-液換熱器性能滿足機(jī)柜散熱，然后各插箱采用并聯(lián)通風(fēng)散熱方式，要求各插箱的散熱具有一致性，所有插件上的器件殼溫均低于85 ℃。

此外，考慮機(jī)柜內(nèi)電氣設(shè)備的作戰(zhàn)性能，要求在啟動工況下，電氣設(shè)備與氣-液換熱器的供液系統(tǒng)同時啟動即可滿足散熱要求。已知供液系統(tǒng)從開機(jī)至輸出全部制冷能力需耗時55 s，則氣-液換熱器在電氣設(shè)備啟動55 s后開始供液必須能滿足散熱要求。

2 散熱方案

2.1 機(jī)柜散熱設(shè)計

每個插箱底部安裝6臺風(fēng)機(jī)，3臺位于前插件底部，3臺位于后IO插件底部。插箱采用下進(jìn)上出通風(fēng)方式，插箱進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口安裝導(dǎo)流板，使上下插箱的進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)分離，形成插箱的并聯(lián)通風(fēng)風(fēng)路。考慮單個插箱的熱量情況，前插件底部的風(fēng)機(jī)型號初選為Ebmpapst 4414FNH，后IO插件底部風(fēng)機(jī)型號初選為Ebmpapst 3414 NHH。

密閉機(jī)箱底部安裝一臺氣-液換熱器，氣-液換熱器為L形，采用上進(jìn)前出通風(fēng)方式，在回風(fēng)口和送風(fēng)口均有軸流風(fēng)機(jī)。氣-液換熱器送出的冷風(fēng)從底部送往機(jī)柜前門，插箱從插箱底部吸入機(jī)柜前門的冷風(fēng)，空氣經(jīng)過插箱帶走熱量后，然后從插箱頂部將熱風(fēng)排至機(jī)柜后部，氣-液換熱器再將機(jī)柜后部的熱風(fēng)吸入，完成通風(fēng)循環(huán)。

2.2 氣-液換熱器設(shè)計

氣-液換熱器設(shè)計為L形結(jié)構(gòu)，上部回風(fēng)前部送風(fēng)。雖然密閉機(jī)柜相對氣密且空間狹小，具有先天防凝露的優(yōu)勢，但是在濕熱環(huán)境中仍存在一定凝露風(fēng)險，綜合考慮防凝露設(shè)計和散熱性能，氣-液換熱器的供液溫度不超過30 ℃，送風(fēng)溫度不超過40 ℃。在換熱器的中部安裝換熱器芯體，根據(jù)機(jī)柜平均熱量約3800 W，換熱器芯體的設(shè)計換熱量為4000 W。冷卻液工質(zhì)選用66 %的乙二醇-水溶液，設(shè)計供液流量為18.5 L/min。為保證機(jī)柜內(nèi)插箱的散熱性能，根據(jù)設(shè)計換熱量估計，送風(fēng)風(fēng)量不小于1100 m3/h，送風(fēng)風(fēng)壓不小于20 Pa。在回風(fēng)口和出風(fēng)口分別安裝4個軸流風(fēng)機(jī)，根據(jù)換熱器芯體及換熱器殼體結(jié)構(gòu)在設(shè)計風(fēng)量下流阻特性，基本滿足風(fēng)量要求。

3 數(shù)值仿真

3.1 仿真模型

密閉搖架機(jī)柜的仿真模型以及四種主要插件的仿真模型如圖2所示。

圖2 密閉搖架機(jī)柜及主要插件的仿真模型

3.2 仿真設(shè)置

氣-液換熱器設(shè)置為簡化模型，使用速度入口和壓力出口。參數(shù)設(shè)置參考?xì)?液換熱器的設(shè)計要求，設(shè)定送風(fēng)風(fēng)量為1000 m3/h，送風(fēng)溫度為40 ℃。

風(fēng)機(jī)選用廠家Ebmpapst的小型直流軸流風(fēng)機(jī)，氣-液換熱器和插箱的風(fēng)機(jī)配置如表1所示。若對風(fēng)機(jī)有國產(chǎn)化要求，則使用國產(chǎn)化仿制風(fēng)機(jī)進(jìn)行原位替換。

表1 風(fēng)機(jī)配置情況

3.3 工作工況穩(wěn)態(tài)仿真分析

換熱器供液溫度30 ℃，送風(fēng)溫度40 ℃，風(fēng)量1000 m3/h，仿真分析流場結(jié)果如圖3所示，主要插件的器件溫度如圖4所示。可以看出，機(jī)柜內(nèi)流場組織合理，空氣分配均勻，實現(xiàn)了預(yù)期的并聯(lián)通風(fēng)效果。

圖3 密閉搖架機(jī)柜流場

圖4 密閉搖架機(jī)柜主要插件的器件溫度（續(xù)）

圖4 密閉搖架機(jī)柜主要插件的器件溫度

使用并聯(lián)風(fēng)道有效解決了串聯(lián)風(fēng)道組合熱量累積的問題，各插箱內(nèi)插件溫度分布非常均勻，插件1-4的器件殼溫溫度分別為78.0 ℃、83.8 ℃、81.3 ℃、81.8 ℃，滿足低于85 ℃的熱設(shè)計要求。

3.4 啟動工況瞬態(tài)仿真分析

環(huán)境溫度50 ℃情況下仿真結(jié)果如圖5（b）所示。在高溫50 ℃啟動時，0 s為機(jī)柜內(nèi)電氣設(shè)備啟動時間，氣-液換熱器不供液，器件殼溫隨著時間迅速上升，水溫隨著時間也稍有增加；在氣-液換熱器供液時間晚于機(jī)柜啟動時間67 s時，器件殼溫在150 s左右達(dá)到了82 ℃，滿足低于85 ℃的熱設(shè)計要求。根據(jù)器件最高殼溫與氣-液換熱器供液時間的關(guān)系，當(dāng)供液時間晚于機(jī)柜電氣設(shè)備啟動時間55 s時，器件最高殼溫將低于仿真工況，滿足啟動工況散熱要求。

圖5 50 ℃/45 ℃啟動瞬態(tài)仿真結(jié)果（機(jī)柜分別啟動67 s/90 s后輸出100 %制冷量）

環(huán)境溫度45 ℃情況下仿真結(jié)果如圖5（a）所示。在高溫45 ℃啟動時，0 s為機(jī)柜內(nèi)電氣設(shè)備啟動時間，器件殼溫隨著時間迅速上升，水溫隨著時間也稍有增加；在氣-液換熱器供液時間晚于機(jī)柜啟動時間90 s時，器件殼溫在200 s左右達(dá)到了81 ℃，滿足低于85 ℃的熱設(shè)計要求。因此，在環(huán)境溫度不大于45 ℃條件下，供液時間的緊迫性大大降低，系統(tǒng)具有一定冗余。

4 實驗驗證

4.1 熱量配置

實驗機(jī)柜的插箱的總熱量為4700 W，包括功能插件總熱量為4300 W，電源插件的熱量為400 W。3個插箱功能插件的熱量分別為1580 W、1360 W和1360 W。忽略機(jī)柜內(nèi)風(fēng)機(jī)的功耗，按45 %的效率估計，9×3414N/39HH（3.2 W），9×4414FNH（12 W），8×4114NH5（45 W），風(fēng)機(jī)的總功耗約為273 W。插件4放置在3個插箱中的相同位置，以驗證各插箱散熱效果的一致性。

在實驗條件下，受加熱片規(guī)格和直流電源數(shù)量的限制，機(jī)柜內(nèi)插件4和插件2等主要插件的熱量分布，局部熱量略有差異，總體基本與仿真狀態(tài)保持一致。

4.2 測點布置

實驗機(jī)柜內(nèi)主要使用了插件4、插件2、模擬插件和電源插件。插件4和插件2上的測點布置如圖6（a）和（b）所示。氣-液換熱器的進(jìn)水口、出水口的測點分別為009和008，插箱2的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口的測點分別為201和202。

圖6 插件測點布置

4.3 工作工況穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

針對工作工況實驗，多次調(diào)整了機(jī)柜內(nèi)特定位置的風(fēng)機(jī)型號，以優(yōu)化機(jī)柜整體的散熱效果和功耗水平，實驗中共使用了三種風(fēng)機(jī)配置，詳細(xì)配置情況如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)配置情況

配置狀態(tài)①為設(shè)計狀態(tài)，插箱中前插件風(fēng)機(jī)和后IO風(fēng)機(jī)型號分別為4414FNH和3414NHH，氣-液換熱器內(nèi)風(fēng)機(jī)型號為4114NH5。

配置狀態(tài)②為改進(jìn)狀態(tài)1，在配置①的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化插箱2散熱效果的角度出發(fā)，將插箱2的前插件風(fēng)機(jī)更換為4114NH3，4114NH3的性能要強(qiáng)于4414FNH，插箱1、3和氣-液換熱器內(nèi)的風(fēng)機(jī)型號保持不變。

配置狀態(tài)②為改進(jìn)狀態(tài)2，在配置②的基礎(chǔ)上，從優(yōu)化氣-液換熱器功耗和噪聲的角度出發(fā)，將氣-液換熱器的風(fēng)機(jī)更換為4114NH3，4114NH3的性能要弱于4114NH5，插箱1～3的風(fēng)機(jī)型號保持不變。

針對不同的風(fēng)機(jī)配置，分別進(jìn)行了穩(wěn)定工作工況下的散熱實驗，實驗結(jié)果如表3所示。

表3 工作工況穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

配置①插箱2進(jìn)風(fēng)溫度與供水溫度相差約為11.8 ℃。插箱1、插箱2和插箱3內(nèi)插件4溫度最高分別為57.0 ℃、64.2 ℃和56.4 ℃，最高溫度與供水溫差為49.8 ℃。

配置②插箱2進(jìn)風(fēng)溫度與供水溫度相差約為9.1 ℃。與配置①插箱2進(jìn)風(fēng)溫度與供水溫度溫差11.8 ℃相比，下降明顯，主要因為插箱2風(fēng)機(jī)性能提升，使得總空氣循環(huán)量增加。插箱1、插箱2和插箱3內(nèi)插件4溫度最高分別為58.7 ℃、57.0 ℃和57.3 ℃，最高溫度與供水溫差為44.2 ℃。與配置①相比，插箱器件最高溫度下降達(dá)5.6 ℃，且3個插箱的最高溫度趨于一致，散熱效果一致性更優(yōu)。

配置③與配置②相比，因4114NH3性能低于4114NH5，溫升增加了1.8℃。現(xiàn)階段氣-液換熱器內(nèi)未安裝傳感器，流阻偏小，后期使用完整狀態(tài)氣-液換熱器進(jìn)行測試。若溫升在可接受范圍內(nèi)，則將4114NH5風(fēng)機(jī)替換為4114NH3是可行的。

機(jī)柜內(nèi)風(fēng)機(jī)采用配置①，在實驗中，搖架機(jī)柜底部氣-液換熱器內(nèi)冷卻液不循環(huán)，僅打開插箱和氣-液換熱器的通風(fēng)風(fēng)機(jī)。從圖7可以看出，在實驗中，啟動67 s和90 s后，插件4的器件溫升分別為19.6 ℃和23.9 ℃，插件2的器件溫升分別為22.3 ℃和25 ℃，均低于仿真條件下的23 ℃和27 ℃。實驗結(jié)果低于仿真結(jié)果，說明設(shè)計結(jié)果合理，并且留有適當(dāng)余量。

圖7 啟動工況下主要插件的溫度曲線

5 結(jié)論

本文對一種密閉式搖架機(jī)柜進(jìn)行熱設(shè)計，并進(jìn)行了實驗和仿真驗證。機(jī)柜底部使用一臺氣-液換熱器給機(jī)柜散熱，機(jī)柜內(nèi)插箱采用并聯(lián)通風(fēng)形式，氣-液換熱器前送風(fēng)后回風(fēng)，插箱前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)。首先對機(jī)柜的穩(wěn)態(tài)工作和瞬態(tài)啟動工況進(jìn)行仿真分析和實驗驗證，然后對氣-液換熱器和插箱的風(fēng)機(jī)配置進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，最后進(jìn)行了機(jī)柜調(diào)壓降噪測試和風(fēng)機(jī)損壞實驗。結(jié)果表明，密閉搖架機(jī)柜能夠滿足功能插件熱負(fù)荷4300 W下工作工況和啟動工況的散熱要求，且在風(fēng)機(jī)配置②下各插箱的散熱一致性優(yōu)異。在風(fēng)機(jī)配置②下，插箱內(nèi)插件器件最高殼溫與供水溫差約44.2 ℃，按供液溫度30 ℃計算，器件最高殼溫為74.2 ℃，散熱效果良好。最后對機(jī)柜進(jìn)行了電壓調(diào)速降噪測試和風(fēng)機(jī)損壞實驗，結(jié)果表明，機(jī)柜具有一定的調(diào)速降噪空間，在氣-液換熱器風(fēng)機(jī)損壞1臺時仍能夠滿足啟動和工作工況。該研究結(jié)果對密閉式搖架機(jī)柜的熱設(shè)計提供了重要支撐。