基于氣液熱交換器的密閉機(jī)柜熱設(shè)計*

余 濤，劉 毅，張 磊

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安710068）

引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用，一方面，電子設(shè)備朝著高集成度、高密度、高功率方向發(fā)展；另一方面，電子設(shè)備追求小型化，使用環(huán)境不斷復(fù)雜化。電子設(shè)備的系統(tǒng)大容量和體積小型化要求它具有良好的環(huán)境適應(yīng)性以保證其可靠工作[1–3]。為保證并提高電子設(shè)備在惡劣工作環(huán)境條件下的可靠性，通常將電子設(shè)備安裝在某種封閉環(huán)境中，從而將它與外界的惡劣工作環(huán)境隔離開。

將電子設(shè)備安裝在密閉機(jī)柜中是一種抗惡劣環(huán)境的有效隔離方式。對密閉機(jī)柜的框架采用整體鑄造方式，對機(jī)柜門與柜體框架之間部分做密封處理，可有效地將機(jī)柜內(nèi)外的氣候環(huán)境和電磁環(huán)境隔離開來。將電子設(shè)備安裝在密閉機(jī)柜內(nèi)，可有效排除外界環(huán)境（如溫度、濕度、電磁干擾等）對電子設(shè)備的干擾，大大改善電子設(shè)備所處的環(huán)境，對提高電子裝備的可靠性、降低故障率、延長設(shè)備壽命、降低元器件的選型要求和采購成本都具有重要的現(xiàn)實意義[4–5]。

密閉機(jī)柜可有效排除外界惡劣環(huán)境對機(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備的影響，但機(jī)柜內(nèi)設(shè)備處于密閉空間，無法與外界產(chǎn)生熱交換，因此其散熱設(shè)計成為制約電子設(shè)備性能的關(guān)鍵。本文設(shè)計了一種基于氣液熱交換器進(jìn)行二次換熱的密閉機(jī)柜。熱仿真和熱測試表明：該密閉機(jī)柜具備2 kW的散熱能力，滿足設(shè)計指標(biāo)要求；機(jī)柜內(nèi)風(fēng)道設(shè)計合理，無回流、短路情況。

1 密閉機(jī)柜散熱設(shè)計

1.1 密閉機(jī)柜組成

某密閉機(jī)柜由機(jī)柜柜體、柜門、組合插箱、氣液熱交換器、減震器等組成，如圖1所示。

圖1 機(jī)柜整體布局示意圖

密閉機(jī)柜的外形尺寸為1 600 mm（高）×668 mm（寬）×550 mm（深），機(jī)柜內(nèi)部寬度為標(biāo)準(zhǔn)的24英寸（1英寸=2.54 cm），可用高度空間為31U（1U=44.45 mm），可用于安裝各類標(biāo)準(zhǔn)寬度的組合插箱。

1.2 密閉機(jī)柜熱設(shè)計要求

某密閉機(jī)柜內(nèi)裝電子設(shè)備的總熱耗為2 kW，機(jī)柜工作環(huán)境溫度為?40?C～+50?C，散熱用淡水溫度不超過30?C。

1.3 密閉機(jī)柜熱設(shè)計方案

本文設(shè)計的密閉機(jī)柜采用氣液熱交換器進(jìn)行二次換熱。機(jī)柜內(nèi)部為強(qiáng)迫風(fēng)冷，由氣液熱交換器為機(jī)柜內(nèi)部提供冷風(fēng)并回收熱量，完成內(nèi)循環(huán)。機(jī)柜外部為液冷，氣液熱交換器和外部液冷設(shè)備進(jìn)行熱交換，熱量由液冷設(shè)備帶走，完成外循環(huán)，從而在機(jī)柜內(nèi)部形成與外界環(huán)境隔離的散熱空間。

1.3.1 風(fēng)量計算及氣液熱交換器選型

風(fēng)量Q1根據(jù)式（1）計算：

式中：φ1為熱耗，取2 120 W（氣液熱交換器熱耗為120 W）；Cp,1為空氣比熱容，取1 005 J/（kg·?C）；ρ1為空氣密度，取1.093 kg/m3（50?C）；?T1為空氣溫升，取10?C。

將以上數(shù)據(jù)帶入式（1）求得所需空氣流量Q1為694.8 m3/h。根據(jù)計算結(jié)果，選用的氣液熱交換器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 氣液熱交換器主要性能指標(biāo)

綜合考慮安全性和維修性，將氣液熱交換器布置在密閉機(jī)柜的最下端，以免意外情況下冷卻液泄漏對機(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備產(chǎn)生影響。氣液熱交換器通過兩側(cè)導(dǎo)軌與機(jī)柜連接，以方便維護(hù)和維修。

1.3.2 機(jī)柜風(fēng)道設(shè)計

各組合插箱正面下端預(yù)留有進(jìn)風(fēng)風(fēng)口，后背部安裝有抽風(fēng)風(fēng)扇，整個組合插箱為“Z”字型風(fēng)道。

氣液熱交換器布置在機(jī)柜最下端，其前面板設(shè)置有供風(fēng)口，供風(fēng)口設(shè)置導(dǎo)向板將冷風(fēng)導(dǎo)至各組合插箱進(jìn)風(fēng)口面。氣液熱交換器后部設(shè)有回風(fēng)口和抽風(fēng)風(fēng)扇，回收由各組合插箱排出的熱空氣。熱空氣在氣液熱交換器內(nèi)部完成熱交換，變成冷風(fēng)后重新提供給各組合插箱。

機(jī)柜內(nèi)各組合插箱及氣液熱交換器從上到下排列，將組合插箱正面與柜門之間的空間以及組合插箱背面與機(jī)柜后門之間的空間作為風(fēng)道。機(jī)柜內(nèi)各組合插箱為并聯(lián)形式，由氣液熱交換器和組合插箱的風(fēng)扇驅(qū)動完成熱交換循環(huán)。整體風(fēng)道形式如圖2所示。

圖2 機(jī)柜風(fēng)道示意圖

2 密閉機(jī)柜熱仿真分析

采用ANSYS Icepak 19.2軟件對該密閉機(jī)柜進(jìn)行熱仿真分析。

2.1 熱仿真模型簡化及網(wǎng)格劃分

綜合考慮計算成本和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對模型進(jìn)行簡化，將對散熱影響較小的倒角、螺紋孔、密封圈槽、減震器、加強(qiáng)筋等特性進(jìn)行簡化。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 簡化后的幾何模型

將簡化后的機(jī)柜模型導(dǎo)入ANSYS Icepak中，選用Mesher-HD方法，采用多級網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為2 036 724，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為2 445 181，得到的密閉機(jī)柜的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 密閉機(jī)柜網(wǎng)格模型

2.2 熱仿真邊界條件設(shè)置

環(huán)境溫度為50?C，氣液熱交換器的供風(fēng)溫度為42?C（測試得到），供風(fēng)流量為700 m3/h。氣液熱交換器內(nèi)部含有風(fēng)機(jī)，工作時會引入熱耗。密閉機(jī)柜內(nèi)裝設(shè)備的熱耗見表2。密閉機(jī)柜和各組合插箱的材料設(shè)置為6061鋁合金。

表2 密閉機(jī)柜內(nèi)裝設(shè)備的熱耗 W

2.3 熱仿真結(jié)果

2.3.1 溫度仿真結(jié)果

各組合插箱進(jìn)風(fēng)口、氣液熱交換器供/回風(fēng)口的溫度仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 組合插箱進(jìn)風(fēng)口和氣液熱交換器的溫度仿真結(jié)果

由圖5可知：機(jī)柜內(nèi)部越靠近上部的組合插箱入口處的溫度越高，1號組合插箱入口溫度比4號組合插箱入口溫度高約3?C，各組合插箱入口溫差≤5?C；3號組合插箱熱耗最大，其出風(fēng)口溫度最高，進(jìn)出風(fēng)口溫差最大，約為8.4?C；氣液熱交換器供/回風(fēng)口溫差約為10?C，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

2.3.2 速度仿真結(jié)果

由仿真得到的機(jī)柜內(nèi)部速度場分布如圖6所示。

圖6 速度場仿真結(jié)果

由圖6可知：機(jī)柜內(nèi)部不存在短路、回流現(xiàn)象；下部組合插箱進(jìn)風(fēng)口速度大，約為4 m/s，上部組合插箱進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速略小，約為3 m/s。

2.3.3 壓力仿真結(jié)果

由仿真得到的機(jī)柜內(nèi)部壓力場分布如圖7所示。

圖7 壓力場仿真結(jié)果

從圖7可知，機(jī)柜內(nèi)氣液熱交換器供風(fēng)口和回風(fēng)口之間的壓差約為32 Pa。

2.4 小結(jié)

由熱仿真結(jié)果可知：

1）該密閉機(jī)柜在空氣進(jìn)出溫升約為10?C時，具備2 kW的散熱能力，密閉機(jī)柜的熱設(shè)計滿足指標(biāo)要求。

2）密閉機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)道設(shè)計合理，不存在局部短路、回流現(xiàn)象；各組合插箱的入口溫差≤5?C。

3）氣液熱交換器供/回風(fēng)口壓降約為32 Pa，低于40 Pa，符合要求。

因此，在實際使用時，建議將熱耗大、耐高溫性差的器件布置在靠近機(jī)柜下端的組合插箱內(nèi)，將熱耗小，耐高溫性好的器件布置在機(jī)柜上端的組合插箱內(nèi)。

3 密閉機(jī)柜熱測試

為驗證該密閉機(jī)柜在規(guī)定的工作環(huán)境溫度下是否滿足散熱指標(biāo)要求，搭建了熱測試系統(tǒng)，對密閉機(jī)柜進(jìn)行了高溫工作測試。同時將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證仿真的準(zhǔn)確性。

3.1 熱測試系統(tǒng)組成

密閉機(jī)柜溫度試驗測試系統(tǒng)主要由密閉機(jī)柜、5 kW液冷機(jī)組、數(shù)據(jù)采集儀及溫度傳感器等組成，如圖8所示。

圖8 密閉機(jī)柜測試系統(tǒng)組成示意圖

試驗時，測試氣液熱交換器供/回液的溫度、各組合插箱的溫度及氣液熱交換器供/回風(fēng)的溫度，驗證密閉機(jī)柜的散熱能力。溫度數(shù)據(jù)測試通過Agilent 34972A型溫度記錄儀配合多路T型熱電偶溫度傳感器完成。用于熱測試的主要儀器和設(shè)備見表3。

表3 主要測試用儀器和設(shè)備

實驗開始前對各溫度傳感器進(jìn)行校核，剔除由傳感器故障帶來的測試誤差，同時用鉗流表對各組合的實際熱耗進(jìn)行測試。結(jié)果表明，各組合插箱的實際熱耗與表2中的值基本一致。

3.2 熱測試結(jié)果

根據(jù)GJB 150.3A《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法第3部分：高溫試驗》的條件，將密閉機(jī)柜放置于環(huán)境實驗室溫箱內(nèi)，環(huán)境溫度設(shè)置為50?C。冷卻液為65#防凍液，液冷機(jī)組的供液溫度設(shè)置為30?C。

對密閉機(jī)柜加電測試，每隔10 min記錄一次各溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)。約90 min后，各傳感器的溫度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，機(jī)柜達(dá)到熱平衡狀態(tài)。根據(jù)該時刻的數(shù)據(jù)來計算密閉機(jī)柜的散熱量。

機(jī)柜達(dá)到熱平衡狀態(tài)時，氣液熱交換器的供液溫度為32.5?C，回液溫度為37.8?C，供液流量為7.05 L/min。由氣液熱交換器帶走的熱量φ2根據(jù)下式計算：

式中：Cp,2表示流體的定壓熱容，取3 027 J/（kg·?C）；ρ2表示流體的密度，取1 089 kg/m3；Q2表示流體的體積流量，為7.05 L/min；?T2表示流體溫升，為5.3?C。

將測試數(shù)據(jù)帶入式(2)計算得到由氣液熱交換器帶走的熱量φ2=3 027×1 089×7.05/(60×1 000)×5.3=2 052.8 W。

由計算結(jié)果可知，在高溫情況下，液冷機(jī)組供液溫度為30?C時，由氣液熱交換器帶走的熱量占密閉機(jī)柜總熱耗的96.8%。

3.3 仿真與測試對比

取各組合插箱進(jìn)/出風(fēng)口、氣液熱交換器供/回風(fēng)口共10處溫度的仿真結(jié)果和實測結(jié)果進(jìn)行對比，多個監(jiān)測點取算術(shù)平均值，見表4。

表4 仿真和實測結(jié)果對比

由表4可得出以下結(jié)論：

1）氣液熱交換器供/回風(fēng)溫差為9.7?C時，機(jī)柜的散熱能力達(dá)到2 052.8 W；

2）氣液熱交換器的供風(fēng)溫度比冷卻液的溫度高約12?C；

3）各組合插箱進(jìn)風(fēng)口處的仿真溫度數(shù)值和實測溫度接近，溫度誤差都在5%以內(nèi)。

由熱測試試驗可知，密閉機(jī)柜內(nèi)部發(fā)熱量為2 kW時，氣液熱交換器的供/回風(fēng)口溫差≤10?C，各組合插箱的入口溫差≤5?C，熱設(shè)計滿足指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于氣液熱交換器進(jìn)行二次換熱的利用機(jī)柜、組合插箱、氣液熱交換器及風(fēng)扇形成內(nèi)部循環(huán)風(fēng)道的密閉機(jī)柜。由仿真及測試可知：

1）進(jìn)出口空氣的溫升約為10?C時，該密閉機(jī)柜具備2 kW的散熱能力；

2）機(jī)柜底部組合插箱的入口風(fēng)溫最低，最上端組合插箱的入口風(fēng)溫最高，溫差約為3?C；

3）機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)道布置合理，不存在短路及回流現(xiàn)象。

本文主要對機(jī)柜散熱及風(fēng)道設(shè)計進(jìn)行了研究，但未深入分析內(nèi)裝組合插箱的風(fēng)道設(shè)計。使用該密閉機(jī)柜時，各組合插箱還應(yīng)該根據(jù)熱耗等信息，合理選取風(fēng)扇，優(yōu)化風(fēng)道，保證自身的散熱能力。在密閉機(jī)柜及內(nèi)裝組合插箱組成的散熱系統(tǒng)中，有多個風(fēng)扇串并聯(lián)使用，如何進(jìn)行系統(tǒng)仿真，給各組合插箱合理分配風(fēng)量還有待進(jìn)一步研究。