密閉電子機(jī)箱散熱性能試驗(yàn)研究

張育棟，李兵強(qiáng)，尤 浩，賈光南

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

隨著電子技術(shù)在軍品、民品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備正在向模塊化、微小型化、高集成化方向發(fā)展。為了保證電子設(shè)備正?？煽康毓ぷ?，防止元器件熱失效，必須進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)，以保證它們?cè)谝?guī)定的熱環(huán)境下能按預(yù)定的方案正常、可靠地工作[1]。

強(qiáng)迫風(fēng)冷是電子設(shè)備常用的一種冷卻方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱一般可分為開(kāi)放式機(jī)箱和密閉機(jī)箱兩種，其中密閉機(jī)箱可以將其內(nèi)部模塊和元器件與外部空氣隔離開(kāi)，從而避免外部惡劣氣候條件對(duì)設(shè)備造成直接危害，因而具有良好的環(huán)境適應(yīng)性[2]，特別是采用真空釬焊成型的密閉機(jī)箱在軍用電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用[3-4]。

為了驗(yàn)證密閉電子機(jī)箱的實(shí)際散熱效果，本文采用試驗(yàn)的方法，通過(guò)測(cè)量機(jī)箱的入口風(fēng)量、機(jī)箱及模塊各關(guān)鍵點(diǎn)的溫升，對(duì)其散熱性能進(jìn)行全過(guò)程測(cè)試，分析影響因素并進(jìn)行改進(jìn)。

1 試驗(yàn)對(duì)象

本文以19英寸密閉電子機(jī)箱為試驗(yàn)對(duì)象，其外形尺寸為寬482.6 mm×高 265.9 mm×深327.5mm(不含把手、連接器、風(fēng)機(jī)等突出物)，內(nèi)部安裝標(biāo)準(zhǔn)6U模塊，安裝槽間距為25.4 mm。

1.1 機(jī)箱組成

密閉電子機(jī)箱主要由機(jī)箱箱體、前面板、后面板和風(fēng)機(jī)組成，如圖1所示，前面板設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)口，后面板安裝的風(fēng)機(jī)向外抽風(fēng)。機(jī)箱箱體零件材料為鋁合金3A21，采用真空釬焊焊接成型，波紋板翅片焊接在上下導(dǎo)軌板的風(fēng)道中。波紋板翅片為平直型多孔式結(jié)構(gòu)，材料為鋁合金3003，其參數(shù)如下：翅片厚度0.2 mm，間距3.0 mm，高度9.5 mm，翅片上分布的小孔直徑為1.7 mm，間距為5.7 mm。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 熱測(cè)試模塊

熱測(cè)試模塊采用標(biāo)準(zhǔn)6U結(jié)構(gòu)，外形尺寸為233.4 mm×160.0 mm×24.0 mm，如圖2所示。熱測(cè)試模塊共10個(gè)，編號(hào)為01#～10#，按圖3所示在機(jī)箱中安裝。

圖2 熱測(cè)試模塊組成圖

圖3 熱測(cè)試模塊安裝示意圖

熱測(cè)試模塊的熱源由發(fā)熱電阻(尺寸為10.0 mm×16.0 mm×4.5 mm)和銅塊(尺寸為30.0 mm×30.0 mm×2.0 mm)進(jìn)行模擬，用緊固件固定在導(dǎo)熱盒上。導(dǎo)熱盒兩側(cè)導(dǎo)軌上安裝XS5F-135型鎖緊裝置。導(dǎo)熱盒的材料為鋁合金5A06，導(dǎo)熱盒散熱面厚度為2.5 mm。在發(fā)熱電阻和銅塊、銅塊和盒體之間都涂有導(dǎo)熱硅脂。模塊通過(guò)四芯J30J型連接器供電，發(fā)熱電阻通過(guò)導(dǎo)線并聯(lián)在連接器上，供電電壓為24 V。

模塊的總功耗、熱源數(shù)量、熱源位置及最大熱源功耗都不盡相同，具體見(jiàn)表1。根據(jù)熱源的功耗和熱源的面積，可以算出模塊局部的最大熱流密度為15.625 W/cm2。將08#、09#、10# 3個(gè)40 W的模塊分別布置在機(jī)箱最左側(cè)、中間、最右側(cè)位置。

表1 熱測(cè)試模塊信息統(tǒng)計(jì)

1.3 風(fēng)機(jī)選擇

對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱，風(fēng)機(jī)選型是散熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[5]，依據(jù)總發(fā)熱量計(jì)算冷卻空氣體積流量，再結(jié)合機(jī)箱風(fēng)阻曲線確定所需風(fēng)壓，從而選擇風(fēng)機(jī)型號(hào)。一般采用理論計(jì)算和仿真來(lái)獲取機(jī)箱的風(fēng)阻曲線，但與實(shí)際都會(huì)有一定的誤差[6]。風(fēng)機(jī)在實(shí)際工作中很可能會(huì)偏離選定的工作點(diǎn)，因此通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試風(fēng)機(jī)的工作效果顯得尤為重要。

依據(jù)熱平衡方程計(jì)算冷卻空氣理論體積流量：

Q=Φ/ρCPΔt

式中：Q為冷卻空氣理論體積流量，m3/s；Φ為機(jī)箱總熱功耗，為345 W；ρ為空氣的密度；CP為空氣的比熱容；Δt為冷卻空氣溫升，取值為15 ℃。

空氣物性參數(shù)采用ANSYS Icepak 18.2中的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2，經(jīng)計(jì)算得Q=1.97E-02 m3/s = 70.93 m3/h。

表2 空氣物性參數(shù)

測(cè)試選用的風(fēng)機(jī)型號(hào)為EBM 4412FNH，其外形尺寸為119 mm×119 mm×25 mm，最大風(fēng)量(空氣體積流量)為225 m3/h，最大風(fēng)壓為199 Pa，轉(zhuǎn)速為5 400 r/min。

1.4 散熱路徑分析

機(jī)箱的散熱路徑為發(fā)熱器件→模塊導(dǎo)熱盒→導(dǎo)熱盒導(dǎo)軌及鎖緊裝置→機(jī)箱導(dǎo)軌→波紋板翅片，波紋板翅片極大地?cái)U(kuò)展了機(jī)箱的散熱面積[7]，機(jī)箱內(nèi)部模塊通過(guò)上下導(dǎo)軌將熱量傳導(dǎo)至波紋板，再由風(fēng)機(jī)抽風(fēng)帶走熱量[8]。

根據(jù)機(jī)箱的結(jié)構(gòu)組成和散熱路徑，可以將其總溫升劃分為3個(gè)主要部分：1)模塊的傳導(dǎo)溫升；2)機(jī)箱模塊間的綜合溫升(含鎖緊裝置)；3)機(jī)箱的溫升。在機(jī)箱及內(nèi)部模塊布置測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)得上述各部分溫升，分析各部分溫升占總溫升的比例可以發(fā)現(xiàn)散熱的瓶頸環(huán)節(jié)并進(jìn)行改進(jìn)；通過(guò)測(cè)試機(jī)箱的入口風(fēng)速，結(jié)合機(jī)箱的溫升，判斷風(fēng)機(jī)的實(shí)際工作風(fēng)量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，綜合上述分析判斷機(jī)箱能否滿足熱設(shè)計(jì)要求。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

在室內(nèi)環(huán)境中，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試研究機(jī)箱的散熱性能。考慮到機(jī)箱工作時(shí)環(huán)境最高溫度不超過(guò)55 ℃，依據(jù)其內(nèi)部模塊、元器件的耐高溫性能(85～105 ℃)，機(jī)箱內(nèi)部溫升一般應(yīng)控制在30～50 ℃[9]。本文試驗(yàn)具體要求如下：機(jī)箱內(nèi)部模塊總功耗為345 W，在常溫(室內(nèi))條件下工作時(shí)，機(jī)箱內(nèi)部溫升不超過(guò)50 ℃。

2.1 風(fēng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)對(duì)比

風(fēng)機(jī)安裝在機(jī)箱后面板上，后面板內(nèi)部的風(fēng)道即風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口，此風(fēng)道的深度對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量有較大影響[10]，試驗(yàn)采用3種不同風(fēng)道深度的后面板結(jié)構(gòu)，分別為HG01、HG02和HG03，如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)HG01中風(fēng)機(jī)直接安裝在后面板上，后面板厚度為22.5 mm，內(nèi)部風(fēng)道的深度為17.5 mm；結(jié)構(gòu)HG02與HG01基本一致，不同點(diǎn)是在風(fēng)機(jī)后面10 mm處安裝擋板；結(jié)構(gòu)HG03在風(fēng)機(jī)與后面板之間安裝墊塊，后面板風(fēng)道深度為35.5 mm。

2.2 模塊導(dǎo)熱盒對(duì)比

熱測(cè)試模塊主要通過(guò)傳導(dǎo)散熱，改變模塊的材料或厚度就可以影響模塊的散熱能力，對(duì)比測(cè)試信息具體見(jiàn)表3。

表3 模塊導(dǎo)熱盒信息統(tǒng)計(jì)

01#和01a#模塊的熱源布置完全一致，導(dǎo)熱盒所用材料不同，01#模塊導(dǎo)熱盒選用導(dǎo)熱率較高的2A12；09#和09a#模塊熱源布置完全一致，導(dǎo)熱盒厚度不同，09a#模塊導(dǎo)熱盒厚度更厚。將這兩組模塊進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，可以看到模塊散熱能力提升的效果。表4中列出了常用鋁及鋁合金材料的導(dǎo)熱率[11]。

表4 常用鋁及鋁合金材料導(dǎo)熱率(20 ℃)

3 試驗(yàn)方法和過(guò)程

3.1 試驗(yàn)環(huán)境搭建

在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表5，用多點(diǎn)測(cè)溫儀記錄機(jī)箱、模塊的溫度，用風(fēng)速儀測(cè)試機(jī)箱入口的風(fēng)速。風(fēng)機(jī)和模塊分別用兩個(gè)電源供電，每次加電測(cè)試用數(shù)字鉗型表測(cè)量總的供電電壓和電流，監(jiān)測(cè)機(jī)箱的散熱功耗。

表5 試驗(yàn)設(shè)備一覽表

圖5 機(jī)箱常溫試驗(yàn)環(huán)境示意圖

3.2 溫度測(cè)點(diǎn)布置

選取機(jī)箱散熱路徑上的關(guān)鍵點(diǎn)布置熱電偶，對(duì)散熱路徑上的主要熱阻進(jìn)行分析，具體位置如下：

1)測(cè)溫點(diǎn)A在模塊導(dǎo)熱盒外側(cè)，發(fā)熱功耗最大熱源的背面位置；

2)測(cè)溫點(diǎn)B在模塊導(dǎo)熱盒內(nèi)部，模塊側(cè)壁距離發(fā)熱功耗最大熱源最近的位置；

3)測(cè)溫點(diǎn)C在機(jī)箱上導(dǎo)軌槽壁面或下導(dǎo)軌槽壁面，距離測(cè)溫點(diǎn)B最近的位置。

測(cè)溫點(diǎn)A的溫升即是模塊的總溫升，A、B間的溫差是模塊的傳導(dǎo)溫升，可以反映模塊傳導(dǎo)散熱能力的強(qiáng)弱，B、C間的溫差是機(jī)箱和模塊連接處的綜合溫升，可反映鎖緊裝置的綜合散熱效果，測(cè)試點(diǎn)C的溫升是機(jī)箱的溫升，可表征機(jī)箱的傳導(dǎo)和對(duì)流換熱效果。選取08#、09#、10# 3個(gè)功耗為40 W的模塊分別布置A、B、C3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其余模塊只布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)A，熱電偶用耐高溫膠帶貼在測(cè)溫點(diǎn)。同時(shí)測(cè)試室內(nèi)溫度，計(jì)算出各測(cè)溫點(diǎn)的溫升值。

3.3 風(fēng)速測(cè)試點(diǎn)布置

機(jī)箱前面板有8個(gè)面積一樣的入口，尺寸為寬92.0 mm×高8.5 mm。按圖6中所示編號(hào)，在每個(gè)入口的中間位置進(jìn)行測(cè)試，記錄入口風(fēng)速值。

圖6 機(jī)箱入口編號(hào)示意圖

根據(jù)預(yù)估的風(fēng)量70.93 m3/h，可以算出入口的平均風(fēng)速為3.15 m/s。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 風(fēng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)測(cè)試分析

機(jī)箱換裝不同的后面板進(jìn)行入口風(fēng)速和模塊溫升測(cè)量，結(jié)果分別見(jiàn)表6和表7。第一次試驗(yàn)使用結(jié)構(gòu)HG01，測(cè)得入口平均風(fēng)速為0.86 m/s，估算風(fēng)機(jī)風(fēng)量為19.37 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需風(fēng)量，并且觀察到風(fēng)機(jī)出風(fēng)口有較強(qiáng)的回流。這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)安裝在后面板風(fēng)道90°拐彎處，風(fēng)道深度只有17.5 mm，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口貼近氣流受限區(qū)域，造成部分冷卻氣流短路[12]，減小了機(jī)箱入口的風(fēng)量。

表6 風(fēng)速測(cè)量值

表7 模塊溫升 單位：℃

第二次試驗(yàn)使用結(jié)構(gòu)HG02，測(cè)得機(jī)箱入口的平均風(fēng)速為2.1 m/s，估算風(fēng)機(jī)風(fēng)量為47.30 m3/h。風(fēng)機(jī)后面的擋板可以減弱出風(fēng)口的回流，一定程度上改善風(fēng)機(jī)的工作質(zhì)量。

第三次試驗(yàn)在風(fēng)機(jī)與后面板之間墊入高度為 18 mm的墊塊，使風(fēng)道深度達(dá)到35.5 mm，測(cè)得機(jī)箱入口的平均風(fēng)速為3.26 m/s，估算風(fēng)機(jī)風(fēng)量為73.42 m3/h。

可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能有較大的影響，合理的安裝結(jié)構(gòu)[1，12]可保證風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)處風(fēng)道有足夠的深度，才能充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)的性能。由表7和圖7中數(shù)據(jù)可以看出，隨著入口風(fēng)速的提高，模塊的最大溫升顯著降低，對(duì)比3種不同的風(fēng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)，只有08#模塊的溫升均超過(guò)了50 ℃。

圖7 模塊A點(diǎn)溫升曲線

4.2 模塊溫升數(shù)據(jù)分析

選用結(jié)構(gòu)HG03，進(jìn)行多次試驗(yàn)并記錄08#、09#和10# 模塊的測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表8，其中08#和10#模塊中發(fā)熱功耗最大的熱源都是25 W。由表可知，08#模塊中A、B點(diǎn)溫差占模塊總溫升的比例近55%，而在10#模塊中這個(gè)比例只有40%左右，這是因?yàn)樵?8#模塊中此熱源布置在略靠近模塊導(dǎo)熱盒中間的位置，測(cè)溫點(diǎn)A、B點(diǎn)之間的距離約為65 mm，傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)，傳導(dǎo)溫升大；10#模塊測(cè)溫點(diǎn)A、B之間的距離約為35 mm，傳導(dǎo)路徑短，傳導(dǎo)溫升小。另外還可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)模塊B、C點(diǎn)之間的溫差值比較接近。

表8 模塊測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：℃

為了降低模塊的溫升，結(jié)合機(jī)箱的散熱路徑，通過(guò)比較模塊各部分溫升占總溫升的比例，可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)箱的入口風(fēng)速和風(fēng)量滿足預(yù)期值，風(fēng)機(jī)選型合理；模塊與機(jī)箱之間采用典型的鎖緊裝置鎖緊，結(jié)構(gòu)形式固定，B、C點(diǎn)之間的溫差也很難減小；最直接的方式就是提升模塊的傳導(dǎo)散熱能力，降低其傳導(dǎo)熱阻，從而降低模塊的溫升。

在進(jìn)行第04、05次試驗(yàn)時(shí)，先松開(kāi)01#、06#和09# 3個(gè)模塊的鎖緊器，再以相同的力矩?cái)Q緊，然后加電測(cè)試。各模塊A點(diǎn)溫升值測(cè)量結(jié)果及誤差見(jiàn)表9，取3次測(cè)量值的平均值，并求出3次測(cè)量值與平均值的最大誤差，其中09#模塊最大誤差為7.367%，說(shuō)明本次試驗(yàn)可重復(fù)性好、試驗(yàn)有效。在第04次試驗(yàn)時(shí)，由于09#模塊鎖緊器松開(kāi)后再次擰緊力矩不足，造成模塊與機(jī)箱導(dǎo)軌處接觸不良，使B、C點(diǎn)之間溫差增加，因此09#模塊A點(diǎn)的溫升變大，在第05次測(cè)試時(shí)重新鎖緊，09#模塊A點(diǎn)的溫升立即降低。

表9 模塊A點(diǎn)溫升及誤差

4.3 模塊傳導(dǎo)散熱分析

選用結(jié)構(gòu)HG03，用01a#、09a#模塊分別在原位替代01#、09#模塊進(jìn)行試驗(yàn)，06#模塊與01#、01a#模塊的熱源布置完全一致，也加入對(duì)比，測(cè)得溫升結(jié)果見(jiàn)表10。由表中數(shù)據(jù)可知，01#模塊采用鋁合金2A12，其A點(diǎn)的溫升比01a#模塊降低8.42 ℃，與06#模塊溫升相比降幅超過(guò)10 ℃；09a#模塊A點(diǎn)的溫升比09#降低15.47 ℃。由此可以說(shuō)明，選用高導(dǎo)熱率材料或者增加導(dǎo)熱盒厚度，能有效提高模塊的傳導(dǎo)散熱能力，從而降低模塊的溫升。

表10 模塊溫升數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

本文在室內(nèi)環(huán)境中對(duì)密閉電子機(jī)箱的散熱效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比了風(fēng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)、模塊傳導(dǎo)散熱能力對(duì)機(jī)箱整體散熱性能的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)試和分析，可以得出如下結(jié)論：

1)當(dāng)機(jī)箱內(nèi)部模塊總功耗為345 W，單個(gè)模塊功耗不超過(guò)40 W、單熱源功耗不超過(guò)25 W，在常溫工作時(shí)，機(jī)箱和模塊具有良好的散熱能力；

2)合理的風(fēng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)是保證風(fēng)機(jī)正常工作的關(guān)鍵，對(duì)于抽風(fēng)風(fēng)機(jī)，保證其進(jìn)風(fēng)口風(fēng)道有足夠的深度，才能充分發(fā)揮風(fēng)機(jī)的性能；

3)模塊自身的傳導(dǎo)溫升不可忽視，在總溫升中占比較高，選用高導(dǎo)熱率材料或者增加導(dǎo)熱盒的厚度可以有效提高模塊的傳導(dǎo)散熱能力，顯著降低模塊的溫升。