某雷達(dá)戶外型電子柜散熱問題分析與整改*

賴三霞，王德宇

(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430077)

某雷達(dá)戶外型電子柜散熱問題分析與整改*

賴三霞，王德宇

(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430077)

某雷達(dá)戶外型電子柜內(nèi)安裝有含高熱流密度插件的分機(jī)，并配置液冷換熱冷卻設(shè)備，這些分機(jī)是保證雷達(dá)正常工作的核心設(shè)備單元。該雷達(dá)在試驗運(yùn)行過程中出現(xiàn)分機(jī)內(nèi)插件溫度過高停止工作的現(xiàn)象。文中通過對電子柜內(nèi)各設(shè)備熱環(huán)境及散熱路徑進(jìn)行理論熱計算，運(yùn)用實測數(shù)據(jù)與仿真分析計算相結(jié)合的方式進(jìn)行詳細(xì)的熱分析，定量分析原設(shè)計的不足，提出了整改措施，為解決此類戶外型電子設(shè)備熱設(shè)計問題提出了一套較為完整的思路方法。

戶外型；電子柜；熱分析

引 言

熱分析技術(shù)是提高電子產(chǎn)品可靠性的重要措施。當(dāng)前，熱失效是電子設(shè)備的主要失效形式之一。隨著電子設(shè)備復(fù)雜性的增加，電子設(shè)備的失效率隨溫度的增加呈指數(shù)增長趨勢。隨著計算流體力學(xué)的快速發(fā)展，可借助CFD技術(shù)對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，確定出模型中溫度的最高點。通過對模型進(jìn)行修改或采取必要的散熱措施，使其最高溫度控制在允許的溫度范圍內(nèi)，解決熱失效問題[1-2]。

本文針對已經(jīng)制造成型某雷達(dá)戶外型電子柜內(nèi)分機(jī)插件的熱失效問題，提出了電子柜工作中需滿足的3個簡化熱設(shè)計條件，利用理論計算結(jié)合實際風(fēng)速測試，分析出分機(jī)熱設(shè)計存在的問題，并利用Icepak軟件，對該電子柜內(nèi)分機(jī)進(jìn)行了改善前后的數(shù)值仿真分析對比，制定了有效的整改措施，提高了分機(jī)熱可靠性。

1 電子柜內(nèi)熱設(shè)計問題分析

某雷達(dá)戶外型電子柜內(nèi)安裝有包含高熱流密度插件的分機(jī)，內(nèi)部空間緊湊，柜體外部承受強(qiáng)烈的太陽輻射，電子柜內(nèi)溫度高。雷達(dá)工作時，分機(jī)插件會出現(xiàn)溫度過高而停止工作的現(xiàn)象。初步分析認(rèn)為：分機(jī)在設(shè)計階段，熱設(shè)計工作開展不十分周全，沒有及時對設(shè)備布局設(shè)計變化進(jìn)行補(bǔ)充論證，實物裝備狀態(tài)與原熱設(shè)計有偏差，散熱通道不暢，導(dǎo)致分機(jī)內(nèi)熱平衡溫度過高，插件高溫保護(hù)而停止工作。

1.1 電子柜內(nèi)散熱形式

該戶外型電子柜因電子屏蔽要求分為3個隔艙，上排左右兩隔室分別各安裝一個分機(jī)，中間隔室上部安裝液冷換熱設(shè)備，下部安裝一臺需散熱的集成設(shè)備，中隔室的空余空間作為內(nèi)部空氣換熱循環(huán)的通道部分，在電子柜內(nèi)密閉循環(huán)。

電子柜內(nèi)熱源為外部輻射傳導(dǎo)熱、2 個分機(jī)及1 臺集成設(shè)備。液冷換熱設(shè)備(簡稱冷板)作為散熱熱沉。柜內(nèi)熱空氣與冷板內(nèi)的冷卻液進(jìn)行熱交換，冷板內(nèi)冷卻液將電子柜熱量帶走。冷板內(nèi)置風(fēng)扇，強(qiáng)迫柜內(nèi)空氣與其換熱盤管翅片進(jìn)行熱交換，經(jīng)過水冷盤管后吹出冷卻空氣。冷卻空氣經(jīng)預(yù)定空氣循環(huán)通道進(jìn)入分機(jī)箱底部。分機(jī)箱底部風(fēng)扇將冷卻后空氣吸入分機(jī)所在艙室，對分機(jī)插件進(jìn)行冷卻，換熱后的熱空氣從分機(jī)頂部排出，進(jìn)入電子柜中間隔室，強(qiáng)迫進(jìn)入冷板進(jìn)行換熱。電子柜結(jié)構(gòu)布局及空氣循環(huán)路徑如圖1所示，圖中虛線箭頭為設(shè)計的熱空氣循環(huán)路徑，實線箭頭為設(shè)計的冷空氣循環(huán)路徑。

圖1 電子柜內(nèi)分機(jī)冷卻循環(huán)風(fēng)路示意圖

1.2 散熱需求校核

1.2.1 散熱要求

在主要器件特性、結(jié)構(gòu)布置已固化的條件下，可以將復(fù)雜的多次散熱設(shè)計簡化為以下3個條件的校核設(shè)計[3]：

1)熱平衡條件。即在規(guī)定的流量、溫差條件下，冷板的換熱量應(yīng)不小于柜內(nèi)熱源總熱量，即總體熱量可達(dá)到平衡。經(jīng)過核算，柜內(nèi)輻射傳導(dǎo)熱和分機(jī)工作熱的總功率P=944 W，在規(guī)定條件下，作為熱沉的冷板的換熱量為1 250 W，滿足熱平衡條件。

2)冷卻介質(zhì)溫升條件。即通過特定冷卻對象前后冷卻介質(zhì)的溫差。此條件由具體插件的實測經(jīng)驗值而得，此處確定Δt≤10 ℃。此條件保證在規(guī)定狀態(tài)下，有足夠的冷卻介質(zhì)通過換熱界面，以達(dá)到基本的換熱能力。

3)器件工作溫度點條件。此處規(guī)定發(fā)熱器件殼體表面工作溫度不高于70 ℃，可最終保證設(shè)備的可靠工作。

前面兩項條件為必要不充分條件，條件3為充要條件。按設(shè)計過程步驟分解，必須先滿足前兩項條件，才便于實現(xiàn)條件3。條件3的校核將通過仿真分析來確認(rèn)，并通過試驗來驗證。

1.2.2 分機(jī)箱內(nèi)極限溫度校核

冷板在規(guī)定條件下工作時，其出口冷卻后空氣溫度不高于50 ℃，此時空氣密度ρ=1.093 kg/m3，定壓比熱容Cp=1 005 J/(kg·℃)。

原狀態(tài)分機(jī)箱底部安裝2 個RAH1225B1型交流風(fēng)扇，其最大空氣流量為100 m3/h，最高風(fēng)壓為40 Pa。風(fēng)扇的靜壓用來克服系統(tǒng)的阻力，并在出口處形成一定的速度頭，風(fēng)扇靜壓與流量關(guān)系式[4]：

ΔP=ζQ2

(1)

式中：ζ為分機(jī)箱內(nèi)系統(tǒng)阻力損失系數(shù)；Q為分機(jī)箱內(nèi)空氣流量。

冷卻空氣進(jìn)出風(fēng)口溫升公式為[5]：

(2)

左分機(jī)箱內(nèi)溫升校核：

左分機(jī)箱內(nèi)總熱源功率P=306 W。實測進(jìn)風(fēng)口冷卻空氣流量Q≈40m3/h，單個風(fēng)扇的流量約為20 m3/h，查看RAH1225B1型交流風(fēng)扇的風(fēng)壓曲線，此工作點風(fēng)壓為30 Pa。

由式(1)可推算出該分機(jī)箱內(nèi)風(fēng)阻損失系數(shù)ζ≈0.21。

由式(2)計算左分機(jī)箱冷卻空氣進(jìn)出風(fēng)口溫升Δt=25 ℃，不滿足條件2。

右分機(jī)箱內(nèi)溫升校核：

右分機(jī)箱內(nèi)總熱源功率P=337 W。實測進(jìn)風(fēng)口冷卻空氣流量Q≈64.8 m3/h。單個風(fēng)扇的流量約為32.4 m3/h，此工作點風(fēng)壓為23 Pa。

由式(1)可推算出該分機(jī)箱內(nèi)風(fēng)阻損失系數(shù)ζ=0.064。

由式(2)計算右分機(jī)箱冷卻空氣進(jìn)出風(fēng)口溫升Δt=17 ℃，不滿足條件2。

由以上校核可知，兩個分機(jī)箱工作狀態(tài)均不滿足條件2，需通過降低分機(jī)內(nèi)風(fēng)阻或提高風(fēng)機(jī)總壓的方式來提高通過分機(jī)箱內(nèi)的空氣流量，降低冷卻空氣溫升，使之符合溫升條件。

2 分機(jī)箱散熱改善措施

2.1 措施1更換兩分機(jī)箱風(fēng)扇

由于空間尺寸限制，分機(jī)結(jié)構(gòu)不可更改，故需選擇更高風(fēng)壓及流量的風(fēng)扇，以改善換熱條件，降低工作溫度。另行選擇RGH1238B2型直流風(fēng)扇，其結(jié)構(gòu)尺寸和安裝尺寸與RAH1225B1相同，因直流風(fēng)扇高轉(zhuǎn)速可得更高風(fēng)壓及更大流量，其最大流量為384 m3/h，最高風(fēng)壓為344 Pa。

圖2為RGH1238B2風(fēng)扇在左分機(jī)箱內(nèi)工作特性曲線。其中：分機(jī)內(nèi)風(fēng)阻曲線由式(1)確定，阻力系數(shù)通過測試數(shù)據(jù)計算；分機(jī)內(nèi)風(fēng)阻曲線與風(fēng)機(jī)工作特性曲線交點即為風(fēng)扇實際工作點。此時風(fēng)扇流量為65 m3/h，兩個風(fēng)扇并聯(lián)總流量為130 m3/h。計算得Δt=7.7 ℃，可以滿足條件2要求。

圖2左分機(jī)箱RGH1238B2風(fēng)扇的風(fēng)壓曲線

圖3為RGH1238B2風(fēng)扇在右分機(jī)箱內(nèi)工作特性曲線。實際工作流量為106.5 m3/h(62.7 CFM)，兩個風(fēng)扇并聯(lián)總流量為213 m3/h。計算得Δt=5.2 ℃，可以滿足工作條件2要求。

由上述計算可知，換裝風(fēng)扇后風(fēng)扇實際工作風(fēng)流量能滿足兩分機(jī)散熱需求，滿足條件2 ，但不能確定是否滿足條件3。

2.2 措施2分機(jī)箱內(nèi)高熱插件上方增加風(fēng)扇

由于結(jié)構(gòu)空間限制，分機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口較小，且向一側(cè)偏置。尤其隔室內(nèi)左分機(jī)的高熱發(fā)熱插件偏左，距離通風(fēng)孔較遠(yuǎn)，導(dǎo)致空氣流量在分機(jī)內(nèi)分配不合理，高發(fā)熱器件分配的冷卻空氣流量偏小，造成此處熱平衡點溫度偏高。為此，在高熱器件頂部加裝RBV9733B2型直流離心風(fēng)扇，增加此插件冷卻空氣進(jìn)出兩端的壓差，獲得更大的空氣流量，改善換熱狀態(tài)，降低局部器件的熱平衡溫度。左隔室內(nèi)分機(jī)加裝直流離心風(fēng)扇和空氣循環(huán)路徑如圖4(a)所示。

右隔室內(nèi)分機(jī)插件布置如圖4(b)所示，分機(jī)插件均為盒式插件，插件間間隙只有3.4 mm左右，風(fēng)扇風(fēng)口遮擋大，風(fēng)阻大，容易形成渦流，空氣流通量偏小。因此也如左分機(jī)箱一樣，在高熱發(fā)熱插件正上方安裝RBV9733B2型直流離心風(fēng)機(jī)，通過增加此插件冷卻空氣進(jìn)出兩端的壓差來增大流量，改善換熱效果。并且，直流離心風(fēng)機(jī)可以改變空氣流動方向，更適合于實際的循環(huán)路徑，且有利于降低局部壓力損失。

3 改善措施仿真驗證與試驗驗證

3.1 仿真驗證結(jié)果分析

按措施1，在Icepak熱設(shè)計軟件中建立了兩分機(jī)箱更換為風(fēng)扇RGH1238B2后的模型并進(jìn)行了仿真計算。對于左隔室內(nèi)分機(jī)箱，從仿真結(jié)果來看分布密集的5 個插件中，從左往右第2 個插件的溫度最高，在50 ℃環(huán)境溫度下，器件殼體表面最高溫度已達(dá)75 ℃，超出器件殼體工作溫度70 ℃的要求，不滿足條件3。

按措施2，增加風(fēng)扇RBV9733B2后，器件殼體表面最高溫下降為60 ℃。圖5和圖6為左分機(jī)箱中安裝風(fēng)扇RBV9733B2前后軟件仿真計算的此插件散熱器溫度分布對比圖。此時，滿足器件工作溫度要求，符合條件3。

圖6 改善后插件散熱器溫度分布圖

圖7和圖8為右分機(jī)箱中安裝風(fēng)扇RBV9733B2前后，仿真計算最高殼體溫度分布對比圖。措施1、措施2一起實施后，器件最高殼體溫度不超過61 ℃，符合條件3，滿足器件工作要求。

圖7 改善前插件殼體溫度分布圖

圖8 改善后插件殼體溫度分布圖

3.2 實物實測驗證

因整機(jī)試驗條件難以滿足極限工況，故試驗中對重點發(fā)熱器件散熱通道的空氣流速檢測，如果實測流速符合仿真計算的流速，則可證明仿真結(jié)果的可靠性。按措施1、措施2實施后，對兩分機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速進(jìn)行了實際測量，風(fēng)速分別為0.94 m/s和1.5 m/s，與理論值誤差均為7%，在測算誤差允許范圍內(nèi)。表明了利用實際測量風(fēng)速和式(1)流阻與流量關(guān)系式得出壓降的阻力系數(shù)，進(jìn)而預(yù)測不同工作點的實際工況的方法在工程實踐中可行有效，有較高的準(zhǔn)確性。

采取上述兩種改善措施后，產(chǎn)品經(jīng)過長期的外場試驗，兩分機(jī)箱中的發(fā)熱插件再未出現(xiàn)溫度過高停止工作問題。

4 結(jié)束語

本文對熱設(shè)計提出3 個簡化基本條件，通過理論計算、軟件仿真、實物實測相結(jié)合的方式，對3 個條件進(jìn)行逐一分析、校核、驗證，有針對性的提出解決措施，取得了良好的實際效果，證明了此種方法的有效性。本文提供的思路方法，可以適用于成型設(shè)備熱設(shè)計問題整改，也可以應(yīng)用于新產(chǎn)品的開發(fā)過程。

[1] 張瑜. 密閉電子設(shè)備機(jī)箱的熱設(shè)計試驗研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2015, 31(4): 5-8.

[2] 薛軍, 孫寶玉, 劉巨, 等. 熱分析技術(shù)在電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 28(2): 176-179.

[3] 張潤逵, 戚仁欣, 張樹雄. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[4] 謝德仁. 電子設(shè)備熱設(shè)計[M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 1988.

[5] 余建祖, 謝永奇. 電子設(shè)備熱設(shè)計及分析計算[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2008.

賴三霞(1982-)，高級工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。

王德宇(1978-)，高級工程師，主要從事雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。

Analysis and Improvement for the Heat Problem of a Radar′s Outdoor Electronics Cabinet

LAI San-xia，WANG De-yu

(WuhanBinhuElectronicsCo.,Ltd.,Wuhan430077,China)

There are many electronic equipment units and cooling equipment in the radar′s outdoor electronics cabinet, including some modules with high heat flux. These electronic equipment units are the key communication units of the radar, and guarantee it works normally. But now, these electronic equipment stop working sometimes due to its high temperature. Through theoretical calculation of the electronics cabinet, the paper uses measured data and simulation analysis to analyze the shortage of original design, and also gives a set of methods to solve the heat problems of similar electronics cabinet.

outdoor; electronics cabinet; thermal analysis

2016-01-25

TK124

A

1008-5300(2016)02-0028-03