一種電子設(shè)備機(jī)箱熱設(shè)計(jì)及仿真分析

摘要：按照19英寸標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱尺寸開展某型電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計(jì)。根據(jù)模塊化要求完成設(shè)備主板、AC/DC電源等子模塊設(shè)計(jì)并確定散熱方式；基于傳熱基本原理完成風(fēng)道設(shè)計(jì)，結(jié)合風(fēng)道和熱耗分布情況完成系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算和風(fēng)扇選型。最后結(jié)合數(shù)值仿真和試驗(yàn)的方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性，為后續(xù)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)迫風(fēng)冷；熱設(shè)計(jì)；仿真；熱測試

中圖分類號：TK124" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0052-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.014

0" " 引言

當(dāng)前，隨著我國制程工藝的不斷進(jìn)步，各類芯片等核心器件的性能與集成度得到了顯著提升。同時，各種電子設(shè)備微型化、輕量化趨勢顯著，熱流密度增加和溫度分布不均勻現(xiàn)象日益明顯，這就對產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1]。

某電子設(shè)備可提供統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)監(jiān)管、關(guān)鍵信息采集評估、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等功能，主要由主板模塊、電源模塊構(gòu)成，各模塊PCB上分布著CPU、內(nèi)存、晶振、水桶電容等元器件。該設(shè)備工作過程中，內(nèi)部電子元件的功耗會產(chǎn)生大量熱量，若這些熱量無法及時散出，設(shè)備內(nèi)部溫度將急劇升高，進(jìn)而影響設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。對于不同類型的電子元器件，溫度造成的影響不同。例如，芯片會由于熱應(yīng)力的長時間積累而產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，電池、電容等液態(tài)介質(zhì)的元器件可能由于高溫而炸裂。此外，溫度還會影響元器件與環(huán)境發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)的速率，導(dǎo)致元器件腐蝕、壽命縮短、性能削弱?？傊瑴囟仁怯绊戨娮釉O(shè)備質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一[2]。因此，有效管理電子設(shè)備的散熱，確保其能在各種工況下穩(wěn)定工作至關(guān)重要。本文基于某電子設(shè)備設(shè)計(jì)要求開展結(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計(jì)，借助仿真和試驗(yàn)方法進(jìn)行熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)滿足要求，設(shè)備運(yùn)行時元器件溫度穩(wěn)定，可對風(fēng)冷機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)過程提供一定的參考。

1" " 設(shè)備結(jié)構(gòu)及功耗分布

1.1" " 結(jié)構(gòu)及風(fēng)道設(shè)計(jì)

按照2U機(jī)箱尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備組成如圖1（a）所示，主要由主板模塊、電源模塊和背板模塊等組成。其中，主板和電源采用模塊化設(shè)計(jì)以便維修或更換，可借助導(dǎo)軌插入背板模塊實(shí)現(xiàn)硬件互聯(lián)。不同工況下，主板體積功耗密度為0.043～0.125 W/cm3，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[3]預(yù)估采用強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱。機(jī)箱風(fēng)道如圖1（b）所示，針對箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、風(fēng)阻較大的特點(diǎn)，選用抽風(fēng)式設(shè)計(jì)，結(jié)合左進(jìn)右出的風(fēng)向要求，將風(fēng)扇布置在機(jī)箱右側(cè)。

1.2" " 熱源分析

熱耗分析是熱仿真基礎(chǔ)，可對關(guān)鍵器件溫升進(jìn)行預(yù)測。設(shè)備運(yùn)行功耗來源為兩個主板模塊和一個AC/DC電源模塊。主板模塊功耗主要來自CPU、內(nèi)存等芯片，其以熱能的形式耗散。其中CPU功耗會隨負(fù)荷而波動，持續(xù)運(yùn)行時，主板平均功耗分布如圖2所示，共計(jì)43.1 W。根據(jù)手冊AC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換效率約為90%，熱耗約為15 W，整機(jī)平均熱耗約101 W。

1.3" " 風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)熱平衡方程，確定空氣流量可采用下式：

Q=（1）

式中：Q為空氣流量；P為系統(tǒng)熱耗；ΔT為風(fēng)扇出入口溫差；ρ為空氣體積質(zhì)量；CP為空氣定壓比熱。

取空氣密度1.06 kg/m3，比熱容1 017 J/（kg·℃），機(jī)箱進(jìn)出口空氣溫升取10 ℃，整機(jī)平均功耗101 W，計(jì)算此時系統(tǒng)需要風(fēng)扇提供的動作風(fēng)量約為20 CFM（Cubic Feet per Minute，立方英尺每分鐘；1 CFM=1 ft3/min）?？紤]系統(tǒng)阻力，一般工程上按1.5倍預(yù)估風(fēng)扇應(yīng)提供最大風(fēng)量，約為30 CFM，結(jié)合2U機(jī)箱高度限制，初步選用蘇訊N6025系列軸流風(fēng)扇。

2" " 仿真分析

基于有限體積法，建立設(shè)備熱仿真模型，探究其阻抗、溫度、流場分布等特性。

2.1" " 仿真模型建立

為便于網(wǎng)格劃分、加快運(yùn)算速度，對機(jī)箱模型進(jìn)行前處理?；谑ゾS南原理[4]，忽略螺紋孔、倒角等對計(jì)算影響小的特征，簡化后模型如圖3所示。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量約206萬，面對齊率最小0.45。腔體等結(jié)構(gòu)材料為6061鋁材，PCB板為FR-4，忽略接觸熱阻。

2.2" " 風(fēng)扇風(fēng)量和數(shù)量的影響

基于N6025系列風(fēng)扇的PQ曲線，通過仿真分別探究風(fēng)扇最大風(fēng)量變化和風(fēng)扇串并聯(lián)布置對工作點(diǎn)的影響，結(jié)果如圖4所示。

1）由圖4（a）可見，隨著風(fēng)扇最大風(fēng)量的提高，設(shè)備工作風(fēng)量呈線性趨勢增大。借助Matlab使用最小二乘法擬合線性函數(shù)為：

f（x）=8.077x-119.6（2）

式中：x為風(fēng)扇工作風(fēng)量；f（x）為風(fēng)扇風(fēng)壓。

2）根據(jù)機(jī)箱內(nèi)部實(shí)際空間布置單風(fēng)扇或雙風(fēng)扇并聯(lián)兩種模式，通過建立仿真模型探究兩種模式下風(fēng)扇的工作特性。基于風(fēng)扇1的PQ曲線，計(jì)算擬合獲取單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇并聯(lián)的工作點(diǎn)如圖4（b）所示。

在機(jī)箱阻抗特性的影響下，雙風(fēng)扇并聯(lián)工作點(diǎn)分別為（21.4 CFM，167 Pa）、（13.9 CFM，193 Pa），單風(fēng)扇工作點(diǎn)為（30.5 CFM，125 Pa）。雙風(fēng)扇并聯(lián)工作所增加的風(fēng)量僅為4.8 CFM。同時，相對于單風(fēng)扇，兩個并聯(lián)風(fēng)扇的工作點(diǎn)均前移，可能導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，甚至引起風(fēng)扇失速[5]。

2.3" " 設(shè)備溫度特性

綜合系統(tǒng)散熱風(fēng)量最低要求，同時為保障風(fēng)扇工作點(diǎn)處于最優(yōu)工作區(qū)間，選用了2.2節(jié)中風(fēng)扇3，環(huán)境溫度設(shè)定為25 ℃，建立設(shè)備單風(fēng)扇仿真模型，探究設(shè)備在平均功耗工況下的穩(wěn)態(tài)溫度特性。

發(fā)熱器件和主板腔體溫度云圖如圖5所示，設(shè)備最高溫度位于上下主板模塊CPU上，約為48 ℃，較環(huán)境溫度上升23 ℃，兩塊主板PCB溫度分布基本一致。腔體外表面最高溫度約為45 ℃，位置見圖5，較CPU溫度相差約3 ℃，腔體導(dǎo)熱效果良好。

風(fēng)扇工作壓力178 Pa，流量36.9 CFM，工作點(diǎn)合理。設(shè)備內(nèi)部截面流場分布云圖如圖6所示，流場分布與設(shè)計(jì)分析基本一致，出口風(fēng)速約10.6 m/s。

3" " 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對電子設(shè)備進(jìn)行熱測試，使用熱電偶測量主板模塊散熱冷板和電源模塊溫度，測試點(diǎn)1位于CPU芯片正上方，測試點(diǎn)2為電源模塊核心處。設(shè)備正常工作后，每隔30 s采集一次各測試點(diǎn)的溫度，試驗(yàn)設(shè)備及現(xiàn)場和測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：

1）位于CPU芯片正上方的測試點(diǎn)1的溫度T1gt;電源核心處測試點(diǎn)2的溫度T2gt;出風(fēng)口溫度T3gt;進(jìn)風(fēng)口溫度T4。由2.2節(jié)的熱源分析可知，CPU芯片功耗大于電源功耗，故T1gt;T2。出風(fēng)口溫度大于進(jìn)風(fēng)口溫度是因?yàn)轱L(fēng)扇的抽風(fēng)作用帶走了主板及電源模塊的大部分熱量，故而溫度升高。

2）各測試點(diǎn)的平均溫度如表1所示，測試點(diǎn)1的平均溫度約為40.5 ℃，在仿真模擬對應(yīng)位置處的溫度約為42.6 ℃，試驗(yàn)與仿真結(jié)果相對誤差約為5.2%，該誤差能夠滿足工程應(yīng)用需要。

3）在23 min左右，T1、T2、T3均出現(xiàn)波動是因?yàn)闇y試過程揭開了設(shè)備上蓋以輔助驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果。上蓋揭開后，影響了抽風(fēng)環(huán)境，故而T1、T2的溫度上升。因?yàn)闊崃鲾U(kuò)散，故出風(fēng)口溫度T3下降，而進(jìn)風(fēng)口幾乎不受影響，所以T4波動小。在27 min時，上蓋合上，各測試點(diǎn)溫度逐步恢復(fù)穩(wěn)定。

4" " 結(jié)論

本文依據(jù)設(shè)計(jì)要求，探究了一種風(fēng)冷機(jī)箱的結(jié)構(gòu)熱控一體化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法，分別通過數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法，探究了機(jī)箱的溫度分布規(guī)律，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。主要結(jié)論如下：

1）對于系統(tǒng)阻抗較大的系統(tǒng)，并聯(lián)風(fēng)扇所能增加的風(fēng)量不明顯，且導(dǎo)致風(fēng)扇工作點(diǎn)前移，對于PQ曲線存在失速區(qū)的風(fēng)扇，可能導(dǎo)致失速現(xiàn)象發(fā)生，引發(fā)共振。

2）在產(chǎn)品開發(fā)過程中，借助仿真可以評估熱設(shè)計(jì)方案，掌握產(chǎn)品的熱分布特性。針對風(fēng)冷散熱方式，可以高效獲取系統(tǒng)阻抗特性，評估系統(tǒng)風(fēng)壓，從而確定風(fēng)扇串并聯(lián)方式、實(shí)際工作點(diǎn)。仿真分析提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，降低了設(shè)計(jì)成本。

最后，本文有兩個待深入研究的方向：一是針對目前設(shè)備機(jī)箱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無法調(diào)控的不足，未來要基于PWM技術(shù)，通過采集CPU核心溫度作為輸入，對風(fēng)扇狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、調(diào)控，滿足設(shè)備在不同環(huán)境、工況下的散熱需求，優(yōu)化產(chǎn)品能耗及噪聲；二是研究風(fēng)冷機(jī)箱進(jìn)出風(fēng)口的電磁兼容設(shè)計(jì)對風(fēng)扇選型的影響。

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收稿日期：2024-10-25

作者簡介：楊威（1995—），男，貴州人，工程師，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)。