某戶外便攜密閉機箱的結(jié)構(gòu)與熱設計

唐 兵

(南京雷電信息技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012)

0 引 言

工程應用中，經(jīng)常將用于戶外環(huán)境、艦載環(huán)境或機載環(huán)境的電子設備設計成密閉機箱結(jié)構(gòu)形式，這主要是由于密閉機箱能夠滿足各種環(huán)境的高“三防”性能、抗振動性能、電磁屏蔽性能等嚴苛要求。然而，當密閉機箱滿足環(huán)境適應性要求時，安裝于機箱內(nèi)部的電子元器件散熱問題隨即而來，為了保證電子設備能夠長久可靠地工作，必須同時兼顧結(jié)構(gòu)設計與散熱設計。目前，關(guān)于密閉機箱的結(jié)構(gòu)與散熱設計研究主要集中在艦載平臺[1]、車載平臺[2]和機載平臺[3]，而涉及到戶外便攜密閉機箱結(jié)構(gòu)和散熱設計研究的文獻相對較少[4-6]。

傳統(tǒng)的風冷散熱密閉機箱，由于機箱殼體一般為金屬材料，對結(jié)構(gòu)設計、熱量傳導、風道規(guī)劃及風機布置均較為有利。本文為滿足輕量化要求，選擇工程塑料箱體。該箱體在兼具重量輕、防塵防水、抗振動以及易于推拉攜帶至戶外環(huán)境等優(yōu)勢的同時，面臨著箱體材料導熱系數(shù)低(可視為絕熱)、箱體尺寸極其有限、箱體無法開通風孔等問題，因而風道及風機的布置與傳統(tǒng)金屬密閉機箱有著明顯區(qū)別。本文將詳細論述解決以上問題的過程，主要分為結(jié)構(gòu)設計與熱設計兩部分，以Icepak熱仿真分析結(jié)果指引結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化迭代方向，從而達到結(jié)構(gòu)與散熱均滿足要求的目的。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 機箱組成

某戶外便攜密閉機箱(以下簡稱機箱)主要組成為：(1)派力肯1560包裝箱，(2)操作面板，(3)固定框，(4)朝陽電源X27，(5)朝陽電源Q336，(6)濾波器，(7)風機，(8)固定架等，如圖1所示。

圖1 某戶外便攜密閉機箱示意圖

1.1.1 包裝箱

派力肯1560包裝箱主要由箱體(含拉桿、滾輪)、箱蓋兩部分組成，包裝箱外形尺寸為561 mm(長)×455 mm(寬)×265 mm(高)。

1.1.2 操作面板

如圖2所示，操作面板包括面板組件、連接器、開關(guān)、電流表等，其中，面板組件(尺寸為518 mm×392 mm)包括安裝面板、翻板、鉸鏈、門鎖等，如圖3所示。右側(cè)翻板可以旋轉(zhuǎn)90°打開，便于后期對機箱內(nèi)部維護。

圖2 操作面板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 面板組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.3 固定架

固定架主要由底板、通風板、風機安裝板及連桿組成，如圖4所示。其中連桿將通風板與風機安裝板連為一體，增加了固定架結(jié)構(gòu)整體剛度。

圖4 固定架結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 環(huán)境適應性設計

為應對戶外高溫、高濕等惡劣環(huán)境，該機箱結(jié)構(gòu)設計應考慮材料選擇、防水防塵密封、易于攜帶、便于操作等方面。

派力肯包裝箱是一種抗振箱，其主體材料為工程塑料聚丙烯(PP)，該材料具有低密度、耐腐蝕、耐高溫和力學性能優(yōu)良等特性。箱體與箱蓋分別注塑成型，箱體邊沿設計內(nèi)凹槽，箱蓋邊沿設計外凸楞，有利于防水防塵。箱體自帶滾輪與拉桿，方便攜帶至戶外使用。

面板組件、固定框和固定架采用鋁合金6063-T5機加工成型，該牌號鋁合金兼具高導熱率和良好的機械性能，對外露操作面做導電氧化和涂覆防腐漆處理，對需要導電的內(nèi)表面及固定架做導電氧化表面處理。

2 熱設計

自然散熱相對于強迫對流散熱具有結(jié)構(gòu)形式簡單、成本低、無風機噪音(或液冷漏液)以及易于達到防水防塵等優(yōu)點。因此，先從自然散熱出發(fā)，根據(jù)理論計算及仿真分析結(jié)果判斷能否采用該散熱方式，若無法滿足要求，則考慮采用強迫風冷散熱。

箱體內(nèi)主要發(fā)熱器件為2塊朝陽電源，經(jīng)核算，兩電源總發(fā)熱功耗為61.3 W，要求在55 ℃環(huán)境溫度下電源能夠正常工作，電源允許最大溫度不大于85 ℃。由1.2可知，箱體材料導熱率低，可視為絕熱墻壁。若采用自然散熱+輻射方式進行散熱，能夠與外界環(huán)境進行有效換熱的僅為操作面板，散熱面積A=518 mm×392 mm=2.03×105mm2=2.03×103cm2=0.203 m2，因此，該機箱表面熱流密度約為φ=Φ/A=61.3/2.03×103=0.03 W/cm2。如圖5所示，此時最大溫升處于20 ℃～40 ℃區(qū)間內(nèi)，是否能夠滿足溫度要求需要經(jīng)仿真驗證確定。

圖5 按熱流密度、溫升選擇冷卻方式[7]

2.1 理論計算

2.1.1 自然散熱

機箱操作面板與空氣進行自然散熱時，符合流體掠過平板散熱過程，即換熱量與溫差成正比，數(shù)學表達式為[7]：

Φ=hcA(tw-tf)=hcAΔt

(1)

式中：Φ為自然散熱耗散熱量，W；hc為換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；tw為面板壁面溫度，℃；tf為空氣溫度，℃；Δt為面板壁面與空氣之間的溫差，℃。

換熱系數(shù)hc由以下通用方程確定[7]：

(2)

式中：k為空氣導熱系數(shù)，W/(m·℃)；D為自然散熱時的特征尺寸，m。

對平板式空氣自然散熱，特征尺寸D由以下公式求得[7]：

(3)

將a=518 mm，b=392 mm代入式(3)，得D=0.446 m。

C的數(shù)值由格拉曉夫數(shù)Gr與普朗特數(shù)Pr的乘積確定，其表達式分別為：

(4)

(5)

式中：β為體積膨脹系數(shù)，1/℃；g為重力加速度，m/s2；υ為空氣運動黏度，m2/s；μ為空氣動力黏度，kg/(m·s)；Cp為空氣定壓比熱，J/(kg·℃)。

標準大氣壓下，空氣溫度為55 ℃時：

3×105

3.0 W/(m2·℃)

進而將hc的值代入式(1)求得由自然散熱散掉的熱量：

Φ1=3.0×0.203×20=12.2 W

2.1.2 輻射散熱

高溫環(huán)境下輻射散熱量不可忽視，輻射散熱滿足以下公式[7]：

(6)

式中：ε為物體的發(fā)射率；T2、T1為物體及空氣的絕對溫度，K。

面板表面經(jīng)油漆處理，經(jīng)查表可知表面發(fā)射率為0.78，由式(6)可得由輻射散熱散掉的熱量為:

Φ2=E·A=5.67×0.78×

綜上，由自然散熱和輻射散熱散掉的總熱量為Φ=Φ1+Φ2=55.7 W，小于機箱總散熱功耗，即發(fā)熱器件溫升30 ℃時，面板溫升按照20 ℃(假設存在10 ℃差額)計算，自然散熱和輻射散熱能夠耗散掉的熱量達不到要求，而若以面板溫升30 ℃重新計算以上各參數(shù)，則可以耗散掉61.8 W熱量(接近總功耗61.3 W)。

2.2 自然散熱仿真分析

為驗證以上散熱理論計算過程，對機箱模型簡化，刪除與散熱無關(guān)器件、三維特征后，導入Icepak軟件轉(zhuǎn)化為熱仿真模型，設置求解域、環(huán)境溫度、邊界條件、材料等，經(jīng)網(wǎng)格劃分后仿真分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 自然散熱+輻射散熱溫度云圖

從溫度云圖可知：發(fā)熱器件的最大溫度為95.9 ℃(溫升40.9 ℃)，面板最大溫度為83.7 ℃(溫升28.7 ℃)，這與理論計算值吻合。

2.3 強迫風冷散熱

根據(jù)2.1理論計算和2.2仿真分析結(jié)果，采用自然散熱+輻射散熱方式無法滿足機箱散熱要求，散熱方式確定為強迫風冷散熱。

2.3.1 風機選型

根據(jù)熱平衡方程，機箱所需通風量為[7]：

(7)

式中：Qf為通風量，m3/s；Φ為總功耗，W；ρ為空氣密度，kg/m3；Δt為進出風口溫差，℃，根據(jù)經(jīng)驗Δt一般處于5 ℃～15 ℃，此處取Δt=5 ℃。

定性溫度70 ℃，ρ、cp參數(shù)查表后代入式(7)，得：

考慮留有1.5～2倍設計裕量，風機風量至少大于64.8 m3/h。選擇Ebm3656軸流風機，該風機額定風量為75 m3/h，風機的風壓-風量曲線如圖7中④所示。

圖7 風機風壓-風量特性曲線

2.3.2 風道規(guī)劃

由于箱體四周均無法開通風孔，因此機箱進出風口均開在面板組件上，如圖2所示。傳統(tǒng)風冷散熱機箱，風機一般安裝于機箱內(nèi)壁或外壁。本文風機既不能安裝于機箱四周內(nèi)壁或外壁，也不能安裝于面板組件，且由于尺寸限制，機箱內(nèi)部空間被電源等器件幾乎填充，即風機無法與發(fā)熱功耗處于同一水平面，因此僅可利用電源X27剩余的空間，在高度方向錯位放置風機。為了使流進機箱的冷空氣充分掠過發(fā)熱器件散熱齒，通風板通風孔與發(fā)熱器件處于同一平面，該機箱風機布置及風流動方向如圖8所示。

2.3.3 風冷散熱仿真分析

仿真分析前，對導入Icepak軟件的三維實體模型進行簡化，簡化原則為：在不影響仿真分析結(jié)果的前提下，減少網(wǎng)格劃分數(shù)量，提高計算精度，減少計算時間。具體簡化內(nèi)容如下：

(1) 對包裝箱(箱體)重新建模，保留外形尺寸、厚度等參數(shù)；

(2) 刪除面板組件連接器、開關(guān)等電器件，將面板與翻板合并，并修補連接器、開關(guān)等安裝孔；

(3) 刪除固定架連桿；

(4) 刪除不參與散熱的濾波器；

(5) 刪除發(fā)熱器件凸臺等細節(jié)；

(6) 刪除面板、底板等結(jié)構(gòu)件的安裝固定孔、圓角、倒角等特征；

(7) 刪除風機葉片、安裝孔，按實物保留內(nèi)外圓孔尺寸參數(shù)；

(8) 面板組件和通風板圓形通風孔按等面積等效成長方形通風孔。

由于包裝箱存在注塑成型拔模角，內(nèi)部通風板與風機安裝板無法與箱體內(nèi)壁緊密貼合，兩邊存在縫隙，這將有可能對散熱造成影響，以縫隙封堵與否、通風板半開通風孔或滿開通風孔和增加導風板為劃分方式，將仿真分析分為4種方案，各方案設定如下：

(1) 方案1：縫隙不封堵，通風板通風孔為半開形式；

(2) 方案2：縫隙封堵，通風板通風孔為半開形式；

(3) 方案3：縫隙封堵，通風板通風孔為滿開形式；

(4) 方案4：縫隙封堵，為高功耗電源增加導風板。

將方案1三維模型簡化后導入Icepak并轉(zhuǎn)化為熱仿真模型，設置求解域、環(huán)境溫度、邊界條件、材料、發(fā)熱功耗以及風機風量、工作模式等參數(shù)，經(jīng)加密網(wǎng)格劃分，計算結(jié)果收斂，得到如圖9所示的溫度云圖和如圖10所示的內(nèi)部風速曲線圖。

圖9 方案1溫度云圖

圖10 方案1機箱內(nèi)部風速曲線

從方案1溫度云圖和風速曲線圖可知，發(fā)熱器件最大溫度為77.1 ℃，小于最大允許溫度(85 ℃)。由于通風板及風機安裝板與機箱內(nèi)壁兩側(cè)均存在縫隙，導致部分冷風從縫隙流走，未與發(fā)熱器件充分熱交換。

針對方案1存在的問題，對機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進：利用密封膠條對兩側(cè)縫隙封堵，忽略局部導熱影響。用方案2重新進行仿真分析，得到如圖11所示的溫度云圖和如圖12所示的機箱內(nèi)部風速曲線圖。

圖11 方案2溫度云圖

圖12 方案2機箱內(nèi)部風速曲線

從方案2溫度云圖和風速曲線圖可知：發(fā)熱器件最大溫度降低到72.8 ℃，這是由于兩側(cè)縫隙封堵后，進入機箱的冷風完全按照風道規(guī)劃路徑與發(fā)熱器件熱量交換，仿真結(jié)果表明方案2明顯優(yōu)于方案1。

在方案2的基礎上，將通風板通風孔增加1倍,形成方案3。分析方案3的目的：在面板組件進出風孔面積達到極限情況下，模擬通過增加內(nèi)部通風板通風孔面積能否進一步降低發(fā)熱器件最大溫度。對方案3進行仿真分析，得到如圖13所示溫度云圖。

圖13 方案3溫度云圖

從方案3溫度云圖可知：發(fā)熱器件最大溫度為75.0 ℃，該方案最大溫度雖然滿足最大允許溫度，但相比方案2最大溫度反而升高了，造成該結(jié)果的原因可能為：進入機箱內(nèi)部的部分冷風并未流過發(fā)熱器件，而是直接穿過上側(cè)通風孔流向風機，導致?lián)Q熱量下降。仿真結(jié)果表明方案2優(yōu)于方案3。

在方案2的基礎上增加導風板，導風板將兩發(fā)熱器件隔開，形成方案4。分析方案4的目的：增加導風板試圖迫使冷風與發(fā)熱器件更充分地進行熱交換。對方案4進行仿真分析，得到如圖14所示溫度云圖。

圖14 方案4溫度云圖

從方案4溫度云圖可知：發(fā)熱器件最大溫度為72.8 ℃，結(jié)果與方案2相同，雖然增加了導風板，增加了機箱整體重量，但發(fā)熱器件溫升并沒有下降，仿真結(jié)果表明方案2優(yōu)于方案4。

以上4種方案的仿真分析結(jié)果均收斂，僅給出方案2的仿真分析迭代收斂曲線，如圖15所示。

圖15 方案2迭代收斂曲線

以上給出了環(huán)境溫度55 ℃、風機工作模式為抽風情況下的仿真結(jié)果。為考察風機工作模式對散熱的影響，將4種方案抽風模式改為鼓風模式，再分別進行仿真分析，并對所有仿真結(jié)果統(tǒng)計，如表1所示。

表1 環(huán)境溫度55 ℃下4種方案仿真分析結(jié)果

從表1可以得出，同一種方案風機工作模式對散熱結(jié)果影響很小。考慮到機箱操作使用性，風機工作模式確定為向外抽風。

綜上，本文選擇方案2作為最終結(jié)構(gòu)設計方案，風機模式選擇向外抽風。按該結(jié)構(gòu)方案加工結(jié)構(gòu)件并組裝機箱，成功應用于工程實際，如圖16所示。

圖16 便攜密閉機箱實物

3 結(jié)束語

本文詳細闡述了某戶外便攜密閉機箱的結(jié)構(gòu)與散熱設計全過程，理論計算結(jié)合仿真分析，論證分析了熱流密度處于臨界值時，自然散熱+輻射散熱方式無法滿足要求，因此，機箱采用強迫風冷散熱方式。以熱設計為主、結(jié)構(gòu)設計為輔，層層遞進分別對4種風冷方案進行了仿真分析。結(jié)果表明：方案2結(jié)構(gòu)設計合理且發(fā)熱器件最大溫升(17.8 ℃)最小，得到了結(jié)構(gòu)與散熱均優(yōu)的結(jié)果。該方案被成功應用于工程實際，為同類型其他戶外便攜密閉機箱的設計提供了參考。

本文著重以散熱分析結(jié)果為導向，并結(jié)合便攜輕量化要求，選擇了方案2作為最終方案，對出現(xiàn)相同仿真分析結(jié)果的方案4未開展更深入的研究。