加固計(jì)算機(jī)熱設(shè)計(jì)

摘 要：加固計(jì)算機(jī)作為特殊電子產(chǎn)品，長(zhǎng)期置于惡劣的環(huán)境條件下，高溫工作特性成為制約其工作性能的重要因素。實(shí)踐證明在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的初期階段制定合理的熱設(shè)計(jì)方案成為解決高溫散熱問(wèn)題的關(guān)鍵。借助有限元熱分析軟件，熱設(shè)計(jì)工程師可以方便快速地分析散熱問(wèn)題，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)加固計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元熱分析研究及熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，可總結(jié)出電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題，案例分析證明這些規(guī)則具有一定的通用性。

關(guān)鍵詞：加固計(jì)算機(jī);有限元;熱分析;數(shù)值仿真;熱設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004 373X(2009)02 085 06

Thermal Design for Rugged Computer

XU Liying

(North China Institute of Compute Technology,Beijing,100083,China)

Abstract：Rugged computer is an especial kind of electronic manufactures,which should be used in execrable environment.One of the important capacities is the ability to keep the working order under the high temperature.It has been established that at the beginning of a new project，the reasonable thermal design precept is the sticking point to resolve the problems which should happened in the high temperature.With the finite element thermal analysis software,engineers could convenient draw and optimize the blue print.With the discussion on a few questions,which should be given special notice when doing thermal design for electronic manufactures,and reaches a conclusion on the basis of thermal analysis and optimization design of finite element rugged computers.The case proves that the rules are currency.

Keywords：rugged computer;finite element;thermal analysis;numerical simulation;thermal design

0 引 言

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，必須考慮PCB的散熱問(wèn)題：分布于主板上的IC元件及一個(gè)個(gè)離散熱源的熱交換。PCB熱設(shè)計(jì)要求IC元件的管腳溫度低于125 ℃，CASE溫度低于85 ℃，如果熱分布控制不當(dāng)，過(guò)高的溫度將導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)熱故障和燒毀。在這個(gè)意義上，如何有效地冷卻電子元件成為PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

在工程實(shí)踐方面，有限元分析可以幫助有一定熱學(xué)知識(shí)的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師迅速有效地在詳細(xì)設(shè)計(jì)之前對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行熱分析，從而找出熱學(xué)結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，得到進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

但是在對(duì)加固計(jì)算機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，必須同步開(kāi)展熱設(shè)計(jì)工作，否則將不可避免地在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段或是在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)后期出現(xiàn)重大的散熱問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性降低，工程項(xiàng)目出現(xiàn)重大延誤。

1 加固計(jì)算機(jī)有限元模型的建立

該加固機(jī)為CPCI總線(xiàn)加固計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)安裝在標(biāo)準(zhǔn)的19英寸機(jī)架中，機(jī)架的深度為520 mm。機(jī)箱的深度控制在420 mm以?xún)?nèi)，寬度為420mm。加固機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成包括：CPCI底板、CPCI主板卡、CPCI音視頻編解碼卡、ATX電源、3個(gè)3.5英寸SCSI硬盤(pán)、100 Mb/s以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器等。

1.1 熱分析基礎(chǔ)

熱力學(xué)第二定律指出：熱量總是自發(fā)的、不可逆的從高溫處傳向低溫處，即：有溫差存在，就有熱量的傳遞。熱量傳遞是一種普遍的自然現(xiàn)象。

熱傳遞現(xiàn)象常是幾種不同基本方式的主次組合。這些基本方式有3種，即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。

熱傳導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有明顯的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，而僅依靠分子、原子及自由電子等微觀(guān)粒子的熱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞。熱傳導(dǎo)的基本公式為傅里葉導(dǎo)熱公式，它描述了通過(guò)大平板的熱量傳導(dǎo)過(guò)程：

Q=λAΔtδ

熱對(duì)流是液體或氣體由于宏觀(guān)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從某一區(qū)域遷移到溫度不同的其他區(qū)域時(shí)的熱傳遞過(guò)程。無(wú)相變的對(duì)流換熱可分為強(qiáng)迫對(duì)流和自然對(duì)流。強(qiáng)迫對(duì)流流體的流動(dòng)系是由外部泵力引起的，如軸流風(fēng)機(jī)引起的機(jī)箱內(nèi)外的壓力差。熱流量的計(jì)算采用牛頓冷卻公式：

Q=αAΔt

或用熱流密度（單位：W/m2）表示為：

q=αΔt

由此可見(jiàn)，計(jì)算的關(guān)鍵在于確定對(duì)流換熱系數(shù)α的值。由于影響因素較多，因此α值的確定比較困難，對(duì)流換熱系數(shù)不是一個(gè)物性參數(shù)。

熱輻射能由物體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，物體的溫度越高，輻射能力越強(qiáng)。斯蒂芬－玻爾茲曼定律描述了絕對(duì)黑體向周?chē)臻g發(fā)射的輻射能為:Q=σ璪AT4Q=αAΔt。對(duì)于一般灰體，計(jì)算關(guān)鍵在于確定輻射常數(shù)σ。輻射常數(shù)的大小取決于物體材料、溫度及粗糙度、氧化程度、涂復(fù)情況等表面狀態(tài)。

1.2 微分方程的建立

1.2.1 導(dǎo)熱微分方程的建立

由傅里葉導(dǎo)熱定律可知，要獲得導(dǎo)熱體內(nèi)各處的熱流密度，必須已知導(dǎo)熱體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布，這是求解導(dǎo)熱問(wèn)題的根本任務(wù)。對(duì)于簡(jiǎn)單的一維問(wèn)題，可以直接由傅里葉導(dǎo)熱定律得出溫度分布規(guī)律；對(duì)于多維溫度場(chǎng)，則必須以能量守恒及傅里葉定律為基礎(chǔ)，在導(dǎo)熱體中取微元體，分析其能量平衡，得出描述導(dǎo)熱現(xiàn)象基本規(guī)律的導(dǎo)熱微分方程，然后結(jié)合給定的定解條件求出導(dǎo)熱體內(nèi)的溫度分布。

導(dǎo)熱體內(nèi)部取體積為dx,dy,dz的微元，根據(jù)能量平衡，從x,y,z三個(gè)方向?qū)?、?dǎo)出的熱量差加上內(nèi)熱源放出的熱量，應(yīng)等于使該微元升溫所需的熱量。根據(jù)傅里葉定律，單位時(shí)間內(nèi)沿x,y,z軸導(dǎo)入、導(dǎo)出的熱量為：

dQ瓁－dQ瓁+dx=λ2t祒2dxdydz

dQ瓂－dQ瓂+dy=λ2t祔2dxdydz

dQ瓃－dQ瓃+dz=λ2t祕(mì)2dxdydz

微元凈得熱量為以上3項(xiàng)之和，即：

λ2t祒2+2t祔2+2t祕(mì)2dxdydz

對(duì)導(dǎo)熱體內(nèi)均勻分布的內(nèi)熱源，一般用內(nèi)熱源強(qiáng)度q璿來(lái)表示單位為：W/m2，即單位時(shí)間內(nèi)單位體積所放出的熱量。對(duì)于上述微元，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為：dQ璯=q璿dxdydz，因此，微元單位時(shí)間內(nèi)升溫所需熱量為：

cρ祎鄲觗xdydz

根據(jù)能量守恒定律，可得有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的導(dǎo)熱微分方程為：

λ2t祒2+2t祔2+2t祕(mì)2+q璿=ρ c祎鄲

取α=λ／（ρ c）稱(chēng)為熱擴(kuò)散率（換熱系數(shù)），上式可改寫(xiě)為：

1α·祎鄲=2t祒2+2t祔2+2t祕(mì)2+q璿λ

當(dāng)導(dǎo)熱體內(nèi)無(wú)熱源時(shí)，q璿/λ為零。

1.2.2 導(dǎo)熱微分方程的定解條件

導(dǎo)熱微分方程是以數(shù)學(xué)的形式，描述無(wú)數(shù)具有不同特點(diǎn)的導(dǎo)熱現(xiàn)象中導(dǎo)熱體內(nèi)溫度分布的方程式。對(duì)于特定的導(dǎo)熱現(xiàn)象，在求解時(shí)必須給出反映該現(xiàn)象特點(diǎn)的單值性條件，使之能單值地確定其解。

1.2.3 對(duì)流微分方程的建立

當(dāng)流動(dòng)流體和靜止的固體壁面直接接觸，而溫度不同時(shí)，它們之間發(fā)生的熱傳遞過(guò)程為對(duì)流換熱。流動(dòng)可有不同的流：層流、過(guò)渡流和紊流。不同流態(tài)流動(dòng)的換熱情況不同。不論哪種對(duì)流換熱過(guò)程，都可采用牛頓冷卻公式：Q=αAΔt（單位為：W）；或q=αΔt（單位為W/m2）。

當(dāng)溫度為t璮的低溫流體沿溫度為t瓀的高溫壁面流動(dòng)時(shí)，沿壁面任一x處單位面積的局部對(duì)流換熱量，即局部熱流密度可表示為：q瓁=α瓁(t瓀-t璮)（單位為W/m2）。

因?yàn)榫o貼壁面處極薄的流體分子層中，流體與壁面不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱量的傳遞僅依靠導(dǎo)熱，所以由傅里葉導(dǎo)熱定律，局部熱流密度又可表示為：

q璼=－λ祎祔瓂=0

欲求局部對(duì)流換熱系數(shù)α瓁，必須已知流體內(nèi)部的速度分布及溫度分布。因此對(duì)于恒物性的不可壓縮流體受迫地沿恒溫壁面作低速、邊界層型流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)換熱現(xiàn)象，求α瓁時(shí)需求解一組微分方程式：

換熱微分方程式:

α瓁=－λt瓀－t璮祎祔瓂=0

能量微分方程式:

v瓁祎祒+v瓂祎祔=a2t祔2

連續(xù)性微分方程式:

祐瓁祒+祐瓂祔=0

動(dòng)量微分方程式:

v瓁祐瓁祒+v瓂祐瓂祔=v2v瓁祔2

在上述微分方程組中,共有4個(gè)未知數(shù)-v瓁,v瓂,t及α瓁,方程組是封閉的。施加邊界條件后，壁面和流體間的局部對(duì)流換熱系數(shù)α瓁可表示為α瓁＝f(x,λ,v,a,v璮)。對(duì)于其他對(duì)流換熱現(xiàn)象，均可列出相應(yīng)的微分方程組。但由于換熱現(xiàn)象不同，方程組的具體形式也會(huì)略有不同。

1.2.4 流體強(qiáng)迫對(duì)流換熱準(zhǔn)則方程的建立

恒物性、不可壓縮流體沿恒溫壁面作低速穩(wěn)定層流強(qiáng)迫流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱現(xiàn)象的準(zhǔn)則方程組建立時(shí)的無(wú)量綱化處理后微分方程組變形如下：

換熱微分方程式:

α瓁=－λL鄲取洫祔′瓂′=0

能量微分方程式:

v2璮Lv′瓁祐′瓁祒′+v′瓂祐瓁′祔′v v璮L2·2v′瓁祔′2

連續(xù)性微分方程式:

祐′瓁祒′+祐′瓂祔′=0

動(dòng)量微分方程式:

v璮θ璮Lv′瓁鄲取洫祒′+v′瓂鄲取洫祔′=aθ璮L2·2θ′祔′2

1.2.5 輻射換熱的數(shù)學(xué)描述

物體的溫度高于絕對(duì)0 K時(shí)，物體總有內(nèi)能存在，因此物體總在不斷地向外發(fā)射輻射能，同時(shí)物體也在不斷吸收從周?chē)矬w發(fā)射的投射到它表面的輻射能。輻射換熱不需要中間媒質(zhì)，輻射換熱過(guò)程伴隨有能量形式的轉(zhuǎn)換，輻射能不滿(mǎn)足從高到低的傳遞過(guò)程，即輻射能不僅可以從高溫物體向低溫物體傳遞，而且可以從低溫物體向高溫物體傳遞。但由于能量最終由高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體，所以轉(zhuǎn)移的輻射能為凈值。

(1) 黑體在不同溫度下單色輻射力的分布。

黑體在不同溫度下單色輻射力隨波長(zhǎng)的分布規(guī)律，即普朗克定律表示為：

E瑽λ=f(λ,T)=c1n2λ5［ec2/(nλT)－1］

可見(jiàn)，溫度越高，單色輻射力越強(qiáng)。在一定溫度下，單色輻射力隨波長(zhǎng)的增加有峰值。

(2) 黑體的輻射力。

對(duì)普朗克公式積分可得黑體的輻射力。

E璪=∫∞0E璪λdλ=∫∞0c1λ5［ec2/(λT)－1］dλ=

6c1c42·π490T4=σ璪T4

黑體表面以及實(shí)際物體表面發(fā)出的射線(xiàn)是向四面八方傳播的，黑體表面的輻射力E璪是任何方向輻射強(qiáng)度的π倍，黑體表面的定向輻射強(qiáng)度也僅與其熱力學(xué)溫度有關(guān)系。

1.3 有限元分析對(duì)熱力學(xué)微分方程的離散

通過(guò)換熱微分方程、連續(xù)性微分方程、動(dòng)量微分方程、能量微分方程進(jìn)行聯(lián)立求解，在給定單值性條件下，可以得到導(dǎo)熱問(wèn)題的惟一數(shù)值解。計(jì)算機(jī)在有限元分析領(lǐng)域的引入為解聯(lián)立代數(shù)方程組提供了有效的工具，沒(méi)有計(jì)算機(jī)，有松弛法手算求解一組聯(lián)立的代數(shù)方程不僅在時(shí)間上是不可預(yù)計(jì)的，而且在精度上也是不可信的。

以一個(gè)無(wú)內(nèi)熱源的二維導(dǎo)熱問(wèn)題為例，對(duì)有限元法的原理加以解釋。把一個(gè)二維的物體在x及y方向上分別以Δx及Δy距離分割成矩形網(wǎng)格。對(duì)該連續(xù)的二維導(dǎo)熱體進(jìn)行如此的網(wǎng)格劃分，其目的是要根據(jù)導(dǎo)熱微分方程式確定物體內(nèi)各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的溫度。在有限元法中，溫度及坐標(biāo)的微分都是用有限差分來(lái)近似表達(dá)的。因此網(wǎng)格分得越細(xì)，近似的溫度分布就越接近于真實(shí)的溫度分布。但是考慮求解時(shí)間也會(huì)隨單元的減小而增加。因此單元不能無(wú)限制地減小，而應(yīng)在保證具有一定精度的前提下使單元有一定的粒度。

分析（m，n）節(jié)點(diǎn)及其相鄰諸節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)熱微分方程的有限差分近似表達(dá)式為：

t璵+1,n+t璵－1,n－2t璵,n(Δx)2+t璵,n+1+t璵,n－1－2t璵,n(Δy)2=0

用有限差分法也可求解復(fù)雜，幾何形狀或具有曲線(xiàn)邊界的問(wèn)題。求解過(guò)程的原則是：估計(jì)變量的初始值，在依次求解方程組時(shí)不斷采用最新的當(dāng)前值來(lái)更新變量的估計(jì)值。對(duì)于確實(shí)存在解，而且矩陣滿(mǎn)足一定條件的問(wèn)題，只要迭代次數(shù)足夠，總可以達(dá)到任意要求達(dá)到的精解度。一般來(lái)說(shuō)，下列兩種方法中的任一種都可以用來(lái)控制計(jì)算過(guò)程的終止。這兩種方法是：

(1) 對(duì)連續(xù)2次迭代得出的最大t璱值差，規(guī)定一個(gè)限額ε，即對(duì)所有i規(guī)定；

max|t(k)璱－t(k－1)璱|＜ε

(2) 對(duì)連續(xù)2次迭代得出的最大t璱值差相對(duì)值，規(guī)定一個(gè)限額ε，即對(duì)所有i規(guī)定。

max|t(k)璱－t(k－1)璱t(k)璱|＜ε

1.4 加固計(jì)算機(jī)的有限元熱分析

分析的重點(diǎn)在于了解機(jī)箱內(nèi)流體分布及各主要熱功器件的表面溫度。由于在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下流體分布與環(huán)境溫度的耦合度不大，因此直接考慮在高溫工作條件下的熱流分布，對(duì)分析環(huán)境進(jìn)行以下設(shè)定：環(huán)境溫度為55℃，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，使用高度3 600 m，重力加速度為9.8 m/s2。

1.4.1 實(shí)體簡(jiǎn)化

加固計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)化后如圖1所示。

1.4.2 有限元模型

對(duì)幾何模型提取出有限元模型后，對(duì)有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，體單元采用四面體自由網(wǎng)格，面單元為三角形單元。劃分后結(jié)果如下：

熱力學(xué)節(jié)點(diǎn)： 2 792個(gè)

熱力學(xué)單元： 6 966個(gè)

流體節(jié)點(diǎn)：8 112個(gè)

流體單元：39 991個(gè)

在進(jìn)行熱分析時(shí)，需定義熱力學(xué)邊界條件。由于加固計(jì)算機(jī)的主要熱功部件為電子器件，而其的熱功率與電功率有直接關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量板卡的電功耗而轉(zhuǎn)為推算出它們的熱功率。

圖1 熱分析模型

邊界條件，如表1所示。

表1 有限元分析邊界條件

參加計(jì)算的板卡熱功率

名稱(chēng)熱功率/W說(shuō)明

電源15

CPU卡7含CPU

CPU后走線(xiàn)卡0.14

音視頻卡7

音視頻后走線(xiàn)卡0.14

硬盤(pán)5.18

擋風(fēng)面定義

名稱(chēng)說(shuō)明

減振箱下底板鈑金零件，無(wú)表面器件

CPU卡表面器件高度15 mm

音視頻卡表面器件高度15 mm

CPU卡的后走線(xiàn)板表面器件高度5 mm

音視頻卡的后走線(xiàn)板表面器件高度5 mm

CPCI四槽背板由于連接器與各板卡有相互安裝關(guān)系，因此不設(shè)定表面器件高度

CPCI板卡前面板無(wú)表面器件

CPCI后走線(xiàn)板面板無(wú)表面器件

硬盤(pán)盒前面板無(wú)表面器件

硬盤(pán)背板表面器件高度5 mm

電源盒無(wú)表面器件

機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口

名稱(chēng)位置

進(jìn)風(fēng)口1機(jī)箱左側(cè)

進(jìn)風(fēng)口2機(jī)箱右側(cè)

（續(xù)表）

風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)1電源內(nèi)部，風(fēng)向由左而右70 mm×70 mm,工作點(diǎn)處流體速度2 000 mm/s

風(fēng)機(jī)2電源內(nèi)部，風(fēng)向由左而右70 mm×70 mm,工作點(diǎn)處流體速度2 000 mm/s

風(fēng)機(jī)3電源內(nèi)部，風(fēng)向由左而右70 mm×70 mm,工作點(diǎn)處流體速度2 000 mm/s

風(fēng)機(jī)4電源內(nèi)部，風(fēng)向由左而右70 mm×70 mm,工作點(diǎn)處流體速度2 000 mm/s

風(fēng)機(jī)5機(jī)箱后部，風(fēng)向由左而右92 mm×92 mm，工作點(diǎn)處流體速度3 000 mm/s

風(fēng)機(jī)6電源盒內(nèi)部，風(fēng)向由左而右40 mm×40 mm，工作點(diǎn)處流體速度1 000 mm/s

主要材料導(dǎo)熱系數(shù)

名稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)(W/m℃)

塑料0.5

鋁204.0

鋼45.0

單面印制板9.11

雙面印制板17.7

四層印制板35.15

八層印制板70.31

1.4.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)有限元分析，與各插卡平行，可檢查風(fēng)量與熱量情況， 見(jiàn)表2所示。

表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

熱功器件名稱(chēng)最高溫度 /℃最低溫度 /℃

主板68.262.4

主板后走線(xiàn)板56.955.9

音視頻卡62.759.1

音視頻卡后走線(xiàn)板56.055.6

硬盤(pán)159122

電源91.460.8

1.4.4 設(shè)計(jì)優(yōu)化

從分析結(jié)果中可以看出硬盤(pán)的溫度過(guò)高，這種設(shè)計(jì)肯定會(huì)在高溫工作條件下出現(xiàn)系統(tǒng)死機(jī)、崩潰等現(xiàn)象。進(jìn)一步檢查硬盤(pán)的工作環(huán)境。

由圖中可知，由于風(fēng)機(jī)安裝位置低于硬盤(pán)，硬盤(pán)周?chē)牧黧w流速極低，等效于自然散熱。以硬盤(pán)模塊為分析對(duì)象，分析在55 ℃條件下，自然散熱的情況。在進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)箱導(dǎo)軌安裝在機(jī)箱側(cè)面，對(duì)機(jī)箱通風(fēng)窗有一定的遮擋作用，因此在分析時(shí)，通風(fēng)窗的位置應(yīng)以導(dǎo)軌安裝到機(jī)箱后的最上沿計(jì)算。此外因電源無(wú)風(fēng)機(jī)，因此按極限無(wú)風(fēng)機(jī)的條件進(jìn)行解算。

為保證硬盤(pán)在機(jī)箱內(nèi)的通風(fēng)換熱，因此有必要調(diào)整設(shè)計(jì)，提高機(jī)箱側(cè)面風(fēng)機(jī)的安裝位置，保證硬盤(pán)頂面處于風(fēng)機(jī)的通風(fēng)道內(nèi)，如圖2所示。以這種設(shè)計(jì)為條件重新進(jìn)行有限元熱分析。

1.4.5 分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)加固機(jī)進(jìn)行有限元熱分析，按環(huán)境溫度55 ℃，工作高度3 600 mm進(jìn)行計(jì)算，優(yōu)化后的方案可以滿(mǎn)足實(shí)際工作的需要，方案合理可行。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)中需要注意以下問(wèn)題：在熱分析過(guò)程中，由于對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，保證了網(wǎng)格有一定的粒度，但同時(shí)引入的分析誤差，在實(shí)際情況下在進(jìn)風(fēng)口、CPCI導(dǎo)軌面、電源通風(fēng)屏還有一定的風(fēng)壓損失，在分析過(guò)程中也未考慮機(jī)箱內(nèi)電纜對(duì)通風(fēng)散的影響。從總的散熱趨勢(shì)上看，這種設(shè)計(jì)是合理可行的。為了保證機(jī)箱內(nèi)的風(fēng)量，在詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中還要特別注意機(jī)箱內(nèi)部的走線(xiàn)設(shè)計(jì)，參考流體分布圖，合理布置機(jī)箱內(nèi)互連電纜，盡可能地防止堵塞風(fēng)道的問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對(duì)比分析如表3所示。

圖2 主板上方15 mm切平面

表3 優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對(duì)比分析

熱功器件名稱(chēng)優(yōu)化前溫度 /℃優(yōu)化后溫度 /℃

主板

Max68.271.2

Min62.464.3

主板后走線(xiàn)板

Max56.961.9

Min55.958.2

音視頻卡

Max62.755.4

Min59.155.1

音視頻卡后走線(xiàn)板

Max56.055.9

Min55.655.3

硬盤(pán)

Max15972.7

Min12263.5

電源

Max91.476.4

Min60.874.6

2 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮的內(nèi)容

通過(guò)上述有限元分析以及對(duì)方案的優(yōu)化可以看出，在進(jìn)行電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)道設(shè)計(jì)的重要性。在實(shí)際工程中，對(duì)風(fēng)道的設(shè)計(jì)往往只限于考慮了系統(tǒng)的發(fā)熱量，選擇了合理的散熱方式，但是由于不注意分析流體是否可以流過(guò)發(fā)熱器件表面，風(fēng)道設(shè)計(jì)存在盲區(qū)。為了提高熱設(shè)計(jì)的有效性，在進(jìn)行電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題：風(fēng)道是否通暢；流體是否可以流過(guò)發(fā)熱表面；風(fēng)道是否存在短路現(xiàn)象；風(fēng)道的最小厚度是否大于10 mm；發(fā)熱器件的風(fēng)道是否與環(huán)境存在有效的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口；風(fēng)道是否存在直角拐彎；正壓風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口是否盡可能地靠近熱功器件；系統(tǒng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口是否盡可能地靠近機(jī)箱出風(fēng)口；主風(fēng)道高于熱功器件50 mm以上時(shí)，是否設(shè)計(jì)了擋風(fēng)面；機(jī)箱通風(fēng)窗口的有效尺寸是否能保證風(fēng)

機(jī)工作在低壓區(qū)。

3 驗(yàn)證實(shí)例

方案簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的機(jī)箱布局

熱設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)要描述如下：

(1) 采用8槽CPCI背板，背板在機(jī)箱內(nèi)垂直安裝，各板卡水平安裝，系統(tǒng)槽位于機(jī)箱最下部，板卡區(qū)偏于機(jī)箱左側(cè)；

(2) 機(jī)箱右側(cè)為硬盤(pán)，3塊硬盤(pán)垂直安裝；

(3) 硬盤(pán)后部為電源；

(4) 機(jī)箱后面板為對(duì)外連接器；

(5) 機(jī)箱寬度為444 mm，高度5U；

(6) 機(jī)箱總體風(fēng)道為左側(cè)進(jìn)風(fēng)后面板出風(fēng)，在硬盤(pán)一側(cè)采用下部進(jìn)風(fēng)，上部出風(fēng)的局部風(fēng)道設(shè)計(jì)，在機(jī)箱后面板、硬盤(pán)左側(cè)及下部安裝軸流風(fēng)機(jī)；

(7) 硬盤(pán)下部的風(fēng)機(jī)出風(fēng)面安裝加熱膜，在硬盤(pán)低溫時(shí)通過(guò)風(fēng)機(jī)為硬盤(pán)鼓熱風(fēng)。

在根據(jù)對(duì)加固計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限熱分析、優(yōu)化而得到的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析上述方案，其主要存在以下不足：

在散熱設(shè)計(jì)方面，存在明顯的風(fēng)道設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，主板箱與設(shè)備箱間固然安裝了一個(gè)軸流風(fēng)機(jī)，但軸流風(fēng)機(jī)距離硬盤(pán)過(guò)近，主板箱的出風(fēng)口被硬盤(pán)阻擋；同時(shí)硬盤(pán)的局部風(fēng)道是從下而上的，硬盤(pán)下部安裝的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口低于主機(jī)箱的進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)不順暢，商用磁盤(pán)陣列中插盤(pán)的間距是固定不變的，兩塊硬盤(pán)之間的通風(fēng)間隙不超過(guò)5 mm，通過(guò)間隙過(guò)小。

在硬盤(pán)與硬盤(pán)下部的風(fēng)機(jī)之間安裝加熱膜，在低溫時(shí)通過(guò)溫控電路使加熱膜加熱，同時(shí)風(fēng)機(jī)向上送熱風(fēng)達(dá)到加熱硬盤(pán)的目的。此時(shí)存在的問(wèn)題是：如果要使熱風(fēng)能送達(dá)硬盤(pán)，必須在加熱膜上開(kāi)通風(fēng)孔，保證氣流有一定的通風(fēng)空間，但加熱膜的功率是依靠加熱膜面電阻實(shí)現(xiàn)的，如果加熱膜上的通風(fēng)孔過(guò)小，低溫工作時(shí)熱風(fēng)很難送到硬盤(pán)，高溫工作時(shí)硬盤(pán)的散熱更成問(wèn)題。然而若加熱膜上的通風(fēng)孔過(guò)大，則加熱功率很難保證。

因此該方案存在嚴(yán)重不足，需重新進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在熱設(shè)計(jì)的方案階段，通過(guò)定性地分析電子設(shè)備機(jī)箱內(nèi)的風(fēng)道及通風(fēng)狀態(tài)，可以高效地提高產(chǎn)品的高溫特性，在方案確定后通過(guò)有限元熱分析對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，可以進(jìn)一步達(dá)到事半功倍的目的。但是如果片面地認(rèn)為有了熱分析軟件就放棄在方案階段的定性設(shè)計(jì)，往往會(huì)造成更大的散熱問(wèn)題，有可能導(dǎo)致整個(gè)方案被推翻。

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作者簡(jiǎn)介 徐立穎 1972年出生,江蘇常熟人,高級(jí)工程師,碩士。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)加固技術(shù)、電子產(chǎn)品抗惡劣環(huán)境技術(shù)。