模塊化電子設(shè)備機箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真*

南瑞亭

（廣州市交通技師學(xué)院，廣州 510300）

0 引言

在電子設(shè)備中，溫度過高是導(dǎo)致器件失效的主要形式之一。但是目前隨著電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，高度集成的電子元器件性能越來越好，處理器性能、存儲器需求和功耗在不斷提高，熱流密度急劇上升，而器件每上升10℃，失效率增大一倍且呈指數(shù)增長，導(dǎo)致元器件及設(shè)備的可靠性下降[1]。表1所示為幾種常見元器件失效率分別在不同的高溫和室溫25℃時對應(yīng)的量級[2]。因此，對承載大量熱功率元器件的機箱散熱結(jié)構(gòu)熱設(shè)計分析能夠有效控制器件溫升，防止器件發(fā)生熱擊穿及電參數(shù)異常等問題，并將設(shè)備可靠性穩(wěn)定在較好的范圍內(nèi)[3]。

表1 不同溫度下常見元器件的基本失效率

如今電子設(shè)備應(yīng)用場景的多元化需求不斷提高，對承載電子設(shè)備的機箱等裝置也要求更加集成化和模塊化。模塊化的機箱設(shè)備具有較高的設(shè)計效率以及較低的設(shè)計成本，極大地滿足了目前電子設(shè)備生產(chǎn)周期日益縮短的趨勢，同時也能保證其可維修性較高。但是，高度集成的元器件產(chǎn)生的熱量無法輕易發(fā)散，這也使模塊化電子設(shè)備機箱散熱結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

本文主要針對圖1所示的模塊化電子設(shè)備機箱散熱結(jié)構(gòu)進行熱設(shè)計仿真，以期改善散熱裝置設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化其散熱性能，從而滿足現(xiàn)代電子設(shè)備集成化、模塊化的發(fā)展要求，保證電子設(shè)備的工作性能和可靠性。圖中機箱的組成主要為機箱蓋板和殼體。機箱殼體作為承載電子設(shè)備的直接容器，機箱蓋板作為機箱重要的散熱結(jié)構(gòu)。

圖1 模塊化電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)

針對具體的機箱實體，結(jié)合其工作環(huán)境的特殊性，本文采用自然對流作為機箱的散熱方式，并結(jié)合其在自然空氣對流與強迫液體冷卻的兩種散熱方式下的熱設(shè)計仿真，對散熱結(jié)構(gòu)作詳細的參數(shù)分析，研究過程中主要完成的目的及成果：（1）對模塊化電子設(shè)備機箱進行測量，建立三維的熱分析模型，同時將其參數(shù)化，并設(shè)置合適的邊界條件；（2）基于現(xiàn)代熱設(shè)計方法，使用CFD相關(guān)熱仿真分析軟件ANSYS Icepak，針對特定工作環(huán)境下的模塊化電子設(shè)備機箱的散熱結(jié)構(gòu)，其中主要針對機箱蓋板的參數(shù)化模型開展熱仿真，探究相同外界環(huán)境下其散熱結(jié)構(gòu)對機箱溫升的影響。

1 模塊化電子設(shè)備機箱散熱結(jié)構(gòu)熱分析模型建立

1.1 自然對流條件下散熱結(jié)構(gòu)的熱分析模型

1.1.1 矩形截面翅片式散熱結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入

使用ANSYS Workbench通過Geometry，首先將機箱三維模型導(dǎo)入并切割修復(fù)為多個簡單立體幾何圖形，再建立DesignModeler（DM）單元，將切割修復(fù)后的機箱模型加載進去，開始簡化操作：

（1）設(shè)置機箱外部殼體簡化類型為Level 2 polygon fit，長度公差設(shè)置為20%，該值表示的是弧線長度的臨界值[4]，即當(dāng)弧線長度小于最大弧長的20%時，小尺寸弧線可被簡化，弧線上設(shè)置點數(shù)為3；

（2）設(shè)置機箱主體為Enclosure；

（3）將機箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)置為CAD類型，并建立工作樹；

（4）通過Show Ice Bodies確認模型簡化完成如圖2所示；

圖2 矩形截面翅片式散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)化處理的熱分析模型示意圖

（5）鏈接Icepak，在Workbench中把完成轉(zhuǎn)化的熱分析模型導(dǎo)入Icepak。

1.1.2 物性參數(shù)輸入及邊界條件設(shè)定

根據(jù)模型對象創(chuàng)建熱源，使用對齊匹配命令完成設(shè)置后，選定所有機箱散熱結(jié)構(gòu)的熱分析模型，對所有機箱材料進行參數(shù)化設(shè)置，由于考慮輻射影響，打開Radiation開關(guān)，如圖3所示。設(shè)置環(huán)境溫度為22℃，流態(tài)為Terbulent，考慮到理論上熱流會沿著重力方向的反向流動，計算域在該方向上（仿真中為Z軸正方向）擴大一倍邊界[5]，以便更好地觀察熱流分布，其中機箱底部邊界設(shè)置為Default，即絕熱，如圖4所示。

圖3 自然對流下的邊界參數(shù)設(shè)置

圖4 散熱翅片的物性參數(shù)選擇

1.1.3 設(shè)立溫度監(jiān)測點

整個仿真實驗過程以機箱中心為坐標(biāo)系原點，重力方向為Z軸，翅片截面長度方向為X軸，翅片間距方向為Y軸，建立11個溫度監(jiān)測點，監(jiān)測點1～5為機箱內(nèi)部測溫點，監(jiān)測點6為機箱散熱結(jié)構(gòu)正上方測溫點，監(jiān)測點7～11為機箱散熱結(jié)構(gòu)測溫點，在Icepak坐標(biāo)系中，單位 為m，坐 標(biāo) 分 別 是：P1（-0.165,0.031 4,0.347）、P2（-0.050 2,0.031 4,0.347）、P3（0.052 8,0.031 4,0.347）、P4（-0.051 8,0.115,0.347）、P5（-0.051 8,-0.088 6,0.347）、P6（-0.047 5,0.031 4,0.428）、P7（-0.038 9,0.115,0.38）、P8（-0.178,0.014,0.38）、P9（-0.038 9,0.014,0.38）、P10（0.094 6,0.014,0.38）、P11（-0.038 9,-0.091 5,0.38），如圖5～6所示。

圖5 仿真實驗中自然對流條件下機箱內(nèi)部測溫點

圖6 仿真實驗中自然對流條件下機箱散熱結(jié)構(gòu)測溫點

1.1.4網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置

根據(jù)散熱結(jié)構(gòu)熱分析模型類型，由于散熱結(jié)構(gòu)翅片的復(fù)雜參數(shù)特征，包含了異性的CAD模型，所以選擇六面體占優(yōu)網(wǎng)格（Mesher-HD），該類型網(wǎng)格包含四面體、六面體及多面體網(wǎng)格[6]，如圖7所示。迭代次數(shù)設(shè)置為100，可求解熱分析模型的計算殘差和熱源溫度監(jiān)測曲線如圖8～9所示。

圖7 散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)翅片的網(wǎng)格劃分

圖8 自然對流下收斂的殘差曲線

圖9 自然對流下收斂的熱源溫度曲線

1.2 強迫液冷條件下散熱結(jié)構(gòu)的熱分析模型

1.2.1 “幾”字型流道液冷式冷板散熱結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入

使用ANSYS Workbench通過Geometry，首先將機箱三維模型導(dǎo)入并切割修復(fù)為多個簡單立體幾何圖形，同時選中流道進行體積抽取建立流體單元，之后建立DesignModeler（DM）單元，將切割修復(fù)后的機箱模型加載進去，開始簡化操作如下。

（1）設(shè)置機箱外部殼體簡化類型為Bounding box。

（2）設(shè)置機箱主體為Enclosure。

（3）定義流道出入口為Opening。

（4）將機箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)置為level 2 polygon fit，長度公差設(shè)置為20%，弧線上設(shè)置點數(shù)為3。因為冷卻液通常在流道內(nèi)進行工作，而當(dāng)流道模型不規(guī)則時，我們需要對其進行簡化和修復(fù)處理，以便減小網(wǎng)格的復(fù)雜劃分程度，若存在倒角，為了精確模擬出流道進出口的壓力差，由于壓降會影響工作液流速的變化從而影響整個散熱效果，所以需要保存其倒角[7]。

（5）通過Show Ice Bodies確認模型簡化完成如圖10所示。

圖10 幾字型流道液冷式冷板散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)化處理的熱分析模型示意圖

（6）鏈接Icepak，在Workbench中把完成轉(zhuǎn)化的熱分析模型導(dǎo)入Icepak。

1.2.2 物性參數(shù)輸入及邊界條件設(shè)定

根據(jù)模型對象創(chuàng)建熱源，使用對齊匹配命令完成設(shè)置后，選定所有機箱散熱結(jié)構(gòu)的熱分析模型，對所有機箱材料進行參數(shù)化設(shè)置，由于忽略輻射影響，關(guān)閉Radiation開關(guān)及重力開關(guān)，如圖11所示。設(shè)置環(huán)境溫度為22℃，流態(tài)為Terbulent，流道內(nèi)冷卻液為水，物性參數(shù)如圖12所示。為了防止冷卻液與外界環(huán)境之間的熱交換影響仿真精度，靠近流道出入口處邊界增加一個空心的過渡邊界[8]（hollow block）。

圖11 強迫液冷下的邊界參數(shù)設(shè)置

圖12 冷卻液的物性參數(shù)選擇

1.2.3 設(shè)立溫度監(jiān)測點

整個仿真實驗過程以機箱中心為坐標(biāo)系原點，重力方向為Z軸，流道截面長度方向為X軸，垂直流道截面的方向為Y軸，建立11個溫度監(jiān)測點，監(jiān)測點1～5為機箱內(nèi)部測溫點，監(jiān)測點6為機箱散熱結(jié)構(gòu)正上方測溫點，監(jiān)測點7～11為機箱散熱結(jié)構(gòu)測溫點，在Icepak坐標(biāo)系中，單 位 為m，坐 標(biāo) 分 別 是：P1（-0.165,0.031 4,0.347）、P2（-0.050 2,0.031 4,0.347）、P3（0.052 8,0.031 4,0.347）、P4（-0.051 8,0.115,0.347）、P5（-0.051 8,-0.088 6,0.347）、P6（-0.047 5,0.031 4,0.428）、P7（-0.050 4,0.103,0.38）、P8（-0.181,0.019 4,0.38）、P9（-0.046,0.019,0.38）、P10（0.089 3,0.017 6,0.38）、P11（-0.044 3,-0.078 5,0.38），如圖13～14所示。

圖13 仿真實驗中強迫液冷條件下機箱內(nèi)部測溫點

圖14 仿真實驗中強迫液冷條件下機箱散熱結(jié)構(gòu)測溫點

1.2.4 網(wǎng)格劃分及求解設(shè)置

根據(jù)散熱結(jié)構(gòu)熱分析模型的類型，由于散熱結(jié)構(gòu)中流道倒角的參數(shù)特征，需要對其進行單獨的網(wǎng)格細化處理，所以選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（Hexa unstructured）并勾選Object params，該類型網(wǎng)格全部為六面體網(wǎng)格且網(wǎng)格之間不垂直相交，如圖15所示。迭代次數(shù)設(shè)置為100，可求解熱分析模型的計算殘差和熱源溫度監(jiān)測測曲線如圖16～17所示。

圖15 散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)流道的網(wǎng)格劃分

圖16 強迫液冷下收斂的殘差曲線

圖17 強迫液冷下收斂的熱源溫度曲線

2 模塊化電子設(shè)備機箱熱分析模型的仿真計算

2.1 不同熱源位置及數(shù)目下自然對流的機箱熱分析模型仿真

通過適當(dāng)調(diào)整熱源的位置和數(shù)量，對環(huán)境溫度為22℃時不同情況下的溫度場分布進行探究，其中機箱散熱結(jié)構(gòu)為默認的下沉矩形截面翅片，下沉高度h=1.0 mm，翅片數(shù)n=33，翅片間距d=3.2 mm，翅片截面長度s=300 mm，設(shè)計如下仿真實驗。

實驗1：3個恒功率熱源，功率均為8 W，分布在機箱中間；

實驗2：兩個恒功率熱源，功率均為8 W，分布在機箱中間；

實驗3：兩個恒功率熱源，功率均為8 W，分布在機箱一角。

記錄仿真實驗數(shù)據(jù)如表2，取監(jiān)測點1～5的平均溫度為作為機箱內(nèi)平均溫度，監(jiān)測點7～11的平均溫度作為機箱散熱結(jié)構(gòu)的平均溫度[9]，得到曲線如圖18所示，結(jié)合散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖19可以看出，熱源數(shù)量越多，其機箱溫度越高，散熱效果越差；熱源位置對機箱散熱情況也有顯著影響，離熱源越近的空間溫度越高，其中當(dāng)熱源分布在機箱一角的整體散熱效果比熱源分布機箱中間時略好，但熱量較為集中。

圖19 仿真實驗中不同熱源位置及數(shù)目下機箱散熱結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

表2 仿真實驗中不同熱源位置及數(shù)目下機箱內(nèi)部各監(jiān)測點實測溫度℃

圖18 仿真實驗中不同熱源位置及數(shù)目下機箱各平均溫度曲線

2.2 不同蓋板翅片參數(shù)下自然對流的機箱熱分析模型仿真

針對自然對流空氣冷卻進行研究，定量討論矩形截面翅片的換熱情況，針對散熱翅片進行具體的參數(shù)化處理，以翅片高度h，截面長度s，翅片間距d以及翅片數(shù)量n為變量[10]，如圖2所示。工作條件為兩個恒功率熱源，功率均為8 W，分布在機箱中間，環(huán)境溫度為22℃。

2.2.1 翅片高度對散熱的影響

以翅片高度作為變量，機箱蓋翅片數(shù)n=33，翅片間距d=3.2 mm，翅片截面長度s=300 mm，設(shè)計如下仿真實驗：

實驗1：翅片距離蓋板外側(cè)平面高度h=5 mm；

實驗2：翅片距離蓋板外側(cè)平面高度h=10 mm；

實驗3：翅片距離蓋板外側(cè)平面高度h=15 mm；

實驗4：翅片距離蓋板外側(cè)平面高度h=20 mm。

記錄仿真實驗數(shù)據(jù)如表3～4，取監(jiān)測點1～5的平均溫度為作為機箱內(nèi)平均溫度，監(jiān)測點7～11的平均溫度作為機箱散熱結(jié)構(gòu)的平均溫度，得到曲線如圖20，結(jié)合散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖（圖21）可以看出隨著翅片高度增加，機箱整體溫升下降，蓋板整體溫度分布基本相同，中心區(qū)域溫度更低，四周溫度較高。在一定范圍內(nèi)，隨著翅片高度增加，其散熱效率將會呈逐漸放緩的增大趨勢。翅片高度越增長，其散熱效果提升得越緩慢，因此實際情況考慮機箱整體重量和成本時，翅片高度不宜過高，在本組實驗中翅片高度在10～15 mm時性價比最好[11]。

表3 仿真實驗中不同翅片高度下機箱內(nèi)部各監(jiān)測點實測溫度℃

表4 仿真實驗中不同翅片高度下機箱散熱結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點實測溫度℃

圖20 仿真實驗中不同翅片高度下機箱各平均溫度曲線

圖21 仿真實驗中不同翅片密度下機箱散熱結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

2.2.2 翅片密度對散熱的影響

以翅片密度作為變量，翅片截面長度s=300 mm，翅片距離蓋板外側(cè)平面高度h=10 mm，設(shè)計如下仿真實驗：

實驗5：機箱蓋翅片數(shù)n=17，翅片間距d=10.2 mm；

實驗6：機箱蓋翅片數(shù)n=9，翅片間距d=24.2 mm。

記錄仿真實驗數(shù)據(jù)如表5～6，取監(jiān)測點1～5的平均溫度為作為機箱內(nèi)平均溫度，監(jiān)測點7～11的平均溫度作為機箱散熱結(jié)構(gòu)的平均溫度，得到曲線圖22，結(jié)合散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖（圖23）看出隨著翅片密度減少，機箱整體溫升先減少后增加，各蓋板溫度分布基本相同，中心溫度較低，熱量主要集中在蓋板四周。隨著翅片密度減小，散熱效果先提升后降低。推測這是由于翅片密度過大時，阻礙空氣對流導(dǎo)致翅片間空氣以傳導(dǎo)的方式進行導(dǎo)熱，從而降低了散熱效率；當(dāng)翅片密度過小時，對流換熱面積不足，從而導(dǎo)致散熱效率降低。因此根據(jù)本次實驗，結(jié)合實際情況，翅片間距在3.2～10.2 mm，翅片數(shù)目在17～33之間最為合適[12]。

表5 真實驗中不同翅片密度下機箱各監(jiān)測點實測溫度℃

表6 真實驗中不同翅片密度下機箱各監(jiān)測點實測溫度℃

圖22 仿真實驗中不同翅片密度下機箱各平均溫度曲線

圖23 仿真實驗中不同翅片密度下機箱散熱結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

2.2.3 翅片截面長度對散熱的影響

以翅片截面長度作為變量，機箱蓋翅片數(shù)n=33，翅片間距d=3.2 mm，翅片距離蓋板外側(cè)平面高度h=10 mm，設(shè)計如下仿真實驗：

實驗7：翅片截面長度s=200 mm；

實驗8：翅片截面長度s=100 mm。

記錄仿真實驗數(shù)據(jù)至表7～8，取監(jiān)測點1～5的平均溫度為作為機箱內(nèi)平均溫度，監(jiān)測點7～11的平均溫度作為機箱散熱結(jié)構(gòu)的平均溫度，得到曲線圖24和散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖（圖25），隨著翅片截面長度減小，機箱整體溫升增加，散熱效率下降，各蓋板中心溫度較低，熱量主要集中在蓋板四周，翅片截面長度越小，中心低溫區(qū)域越小。隨著翅片截面長度減少，其對流換熱面積減少，機箱溫升增大，散熱效率顯著較低[13]。

表7 仿真實驗中不同翅片截面長度下機箱內(nèi)部各監(jiān)測點實測溫度℃

表8 仿真實驗中不同翅片截面長度下機箱散熱結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點實測溫度℃

圖24 仿真實驗中不同翅片截面長度下機箱各平均溫度曲線

圖25 仿真實驗中不同翅片截面長度下機箱散熱結(jié)構(gòu)溫度分布云圖

3 結(jié)束語

從以上熱設(shè)計仿真實驗可以看出：模塊化電子設(shè)備機箱散熱效率與熱源數(shù)量成正比，且靠近機箱內(nèi)壁或機箱散熱結(jié)構(gòu)時的散熱效果更好以及翅片高度在10～15 mm之間，翅片間距在3.2～10.2 mm，翅片數(shù)目在17～33之間的性價比最為合適。

通過將矩形截面翅片式散熱結(jié)構(gòu)和幾字型流道液冷式冷板散熱結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計仿真對比，發(fā)現(xiàn)強迫液冷的散熱效果明顯好于自然空氣冷卻，且?guī)鬃中土鞯赖膿Q熱面積以及冷卻液流速與機箱散熱效率成正比。

在對溫升要求越來越高的電子設(shè)備機箱中，散熱結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計仿真能夠縮短其設(shè)計周期[14]，極大地提高其可靠性。圍繞本文中研究的模塊化電子設(shè)備機箱散熱結(jié)構(gòu)，可以從以下方面對本文工作開展進一步的探究：

（1）針對矩形翅片式散熱結(jié)構(gòu)，可以結(jié)合不同形狀尺寸或材料特性的散熱結(jié)構(gòu)來更全面地評估其在自然對流條件下的傳熱性能；

（2）可結(jié)合數(shù)值傳熱學(xué)和遺傳算法對散熱結(jié)構(gòu)建立優(yōu)化函數(shù)，對特定的散熱結(jié)構(gòu)進行數(shù)值仿真和參數(shù)優(yōu)化；

（3）在仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)誤差不大的前提下，結(jié)合模塊化電子器件的具體布置，對整個機箱開展詳細的熱設(shè)計仿真和實驗，評估機箱內(nèi)部的溫升狀況和散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力[15]。