來源：機(jī)電工程技術(shù)

摘要：針對某封閉電子機(jī)柜處于強(qiáng)振動環(huán)境下機(jī)柜內(nèi)電子設(shè)備的散熱問題，提出一種適用性較好的電子機(jī)柜熱結(jié)構(gòu)構(gòu)架，該構(gòu)架優(yōu)化了機(jī)柜底層熱與結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)要素，改良了當(dāng)前封閉電子機(jī)柜強(qiáng)振動環(huán)境下的散熱提優(yōu)技術(shù)，經(jīng)過往常傳統(tǒng)設(shè)計(jì)問題研析，提取此類熱設(shè)計(jì)改型形態(tài)，規(guī)避了原有技術(shù)方式存在的熱沉裕度、體量過大及熱效率偏低等缺點(diǎn)，集成調(diào)控各方位特性，滿足工程熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)應(yīng)用工程熱仿真手段比對分析，驗(yàn)證此機(jī)柜熱性能的可靠度和可達(dá)性，利用熱分析工程軟件flotherm，貼近真實(shí)工況建立該型電子機(jī)柜三維計(jì)算模型，就機(jī)柜外側(cè)的強(qiáng)振動環(huán)境干涉和內(nèi)側(cè)高熱耗多熱密點(diǎn)兩個(gè)維度深入分析了機(jī)柜內(nèi)歧型電子器、激發(fā)啟動器及測恣回路等器件殼緣溫度，為往后其他類似工況電子散熱設(shè)計(jì)提供結(jié)構(gòu)相關(guān)工程借鑒。

關(guān)鍵詞：電子機(jī)柜；強(qiáng)振動；高熱耗；多熱點(diǎn)

0 引言

目前，某電子機(jī)柜是工業(yè)級電子設(shè)備領(lǐng)域中的常備基礎(chǔ)單元，其中內(nèi)部集中了許多的電子任務(wù)元件，如歧型電子器、激發(fā)啟動器、測試回路、配套供電組件、控保盒等。隨著這些電子元件的任務(wù)功能拓展增強(qiáng)，單體熱耗加大，單面積包絡(luò)內(nèi)的熱流密度也會增大。另外，電子機(jī)柜結(jié)構(gòu)集成度提高，體積縮減，重量減輕，加之環(huán)境工況更為惡劣。綜合上述因素，終將導(dǎo)致電子元件溫升過大局部過熱，電子機(jī)柜工作任務(wù)隨之失效。本工程研制中所涉及的封閉電子機(jī)柜將是上面闡述現(xiàn)況中的某型產(chǎn)品實(shí)例，此電子機(jī)柜多數(shù)工作在相對惡劣的環(huán)境中，使用周期內(nèi)太陽輻射較強(qiáng)，現(xiàn)關(guān)鍵難以處理的是一個(gè)強(qiáng)振動工況，此工況下設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)架及底端元件不能長時(shí)段抗拒強(qiáng)烈振動頻譜帶來的破壞。而且，此機(jī)柜長時(shí)間處于高擾動的振動環(huán)境，基于此工況，必須采用柜體這一強(qiáng)金屬掩體，使柜體內(nèi)部微弱的設(shè)備元器件與外界擾動工況隔離，較大幅度地提升機(jī)柜環(huán)境適應(yīng)性?，F(xiàn)在所能采用的結(jié)構(gòu)構(gòu)架體系只可單純對某些元件作預(yù)緊固強(qiáng)化，無法有效整裝防固及集中一體化設(shè)計(jì)，況且如此傳熱能力及路徑趨弱變窄，依照設(shè)備全部加固策略須把單機(jī)直立于穩(wěn)定平臺，壓縮邊界干涉層次，這樣的解決方法肯定會給其熱源冷卻附加更多的傳導(dǎo)障礙。基于上述，繼續(xù)按照往常強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)方式無法高效向外排熱，進(jìn)一步改善加固防備，本文應(yīng)用機(jī)柜構(gòu)架集成風(fēng)冷對流散熱/外部導(dǎo)熱的兩極式散熱形態(tài)，在熱計(jì)算平臺上進(jìn)行改進(jìn)迭代，按序?qū)蛴幸娴南嚓P(guān)熱研制路徑，使整個(gè)構(gòu)架能找尋到相對設(shè)計(jì)規(guī)律，并為今后工作狀態(tài)散熱問題解決給定思路

1 基本構(gòu)架

該封閉電子機(jī)柜主要元件是由歧型電子器、激發(fā)啟動器、測試回路、配套供電組件、控保盒等組成，上位設(shè)備由接配電池供給電，經(jīng)過起始激勵(lì)器產(chǎn)出電信息，再參照分配規(guī)則劃分到若干個(gè)擴(kuò)展設(shè)備中，逐步拓大后分層鏈接到聚合插件上轉(zhuǎn)化合成，如圖1所示?？乇：兄糜诠耋w上側(cè)，限于控管，熱耗極小，耗散可忽略，自然散熱即可；激發(fā)啟動器裝貼于控保盒下方，電子合成器與激發(fā)啟動器尺寸相差3U，通常狀態(tài)激發(fā)電子2.36ｋＷ·ｈ所產(chǎn)生的熱量為568.8Ｗ，電子合成器相距1Ｕ處布置有歧型電子器，其是整機(jī)電子設(shè)備的核心熱源件，單件歧型電子器效率在57.8％時(shí)單個(gè)熱耗散近287.6Ｗ，裝配風(fēng)機(jī)且經(jīng)過左右主動風(fēng)冷（配空調(diào)器）；測試回路置于歧型電子器右側(cè)，其是作為整體機(jī)柜的牽引元件，熱效應(yīng)可弱化，其他信號同軸件和饋管電均無法計(jì)入熱耗數(shù)值。

2 機(jī)柜熱設(shè)計(jì)

考慮到該封閉電子機(jī)柜工作處于強(qiáng)振動環(huán)境，整體周邊應(yīng)盡量避免高頻率振動侵擊設(shè)備內(nèi)電子器件，比照構(gòu)架冗余增層傳熱路徑穩(wěn)度，縮短封閉范疇，該類設(shè)計(jì)要素核心是防止在多層強(qiáng)振動頻譜下設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)架失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱鏈路斷裂或虛脫直至器件過熱失效，加強(qiáng)構(gòu)架力度亦為集中結(jié)構(gòu)穩(wěn)度而豐富關(guān)聯(lián)裕度。以上思路即置于支配強(qiáng)振動封閉工況的設(shè)計(jì)元素，然而如此便成了設(shè)備機(jī)柜的散熱解決策略上的障礙，嚴(yán)重減小了各發(fā)熱組件／插件底層導(dǎo)熱包絡(luò)，縮短了上下進(jìn)出端的均溫吸熱容度。該結(jié)構(gòu)構(gòu)架設(shè)計(jì)規(guī)劃下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)度，加強(qiáng)導(dǎo)熱鏈路管理更為合理?；A(chǔ)內(nèi)因?yàn)椋喝绮焕靡惑w化加固導(dǎo)熱鏈路，則須在各插件板卡上單獨(dú)疏通導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)路徑，眾多傳熱路徑會發(fā)生相對干涉交叉，致使部分插件及元件過度導(dǎo)冷，而另一部分無法滿足散熱需求，更不可能顧及到各元器件均溫性。如此缺乏兼顧全局設(shè)計(jì)的散熱方式定會使設(shè)備機(jī)柜工作效率低，熱可達(dá)性差。所以這類基于強(qiáng)振動環(huán)境的電子機(jī)柜散熱設(shè)計(jì)需全面考量以往結(jié)構(gòu)構(gòu)架弊端，集中加固容易受強(qiáng)振動干涉的歧型電子器中間嵌入厚強(qiáng)PCB板，把質(zhì)量較大的激發(fā)啟動器和測恣回路布置在機(jī)柜底側(cè)，疊加外拓散熱翅面向風(fēng)側(cè)生長，為抗拒內(nèi)應(yīng)力盡量增大加長導(dǎo)軌傳熱面積，不阻礙電子合成器熱量經(jīng)微薄層結(jié)－殼熱阻高效傳輸至機(jī)柜外空間，進(jìn)而可達(dá)設(shè)備散熱要求。

3 機(jī)柜熱仿真及工況

隨著現(xiàn)代工程熱物理及其工程軟件平臺的更新升級，這類數(shù)值軟件可以更真實(shí)地?cái)M合客觀熱物理特性，且規(guī)劃出三維數(shù)值分析模型，經(jīng)內(nèi)核計(jì)算公式匹配不同工況或邊界基數(shù)，進(jìn)而剖析出近似實(shí)際工程場所的設(shè)備機(jī)柜（元器件）熱性能特性。表１所示為該電子機(jī)柜的實(shí)測工況輸入。

本文研究的封閉電子機(jī)柜因整體包含的電子元器件布置大致呈矩形、構(gòu)架傳熱鏈路明晰等特點(diǎn)，適宜應(yīng)用熱工程軟件flotherm，主體仿真內(nèi)模塊（即drawing board）可細(xì)致設(shè)置到設(shè)備底層的疊式拓展板卡，機(jī)柜內(nèi)獨(dú)立插箱3Ｄ數(shù)值單元，如以異型開發(fā)和局部網(wǎng)格細(xì)化為基點(diǎn)展開結(jié)構(gòu)強(qiáng)固，未免煩雜于處理眾多楔形結(jié)構(gòu)及類圓角，為此則適應(yīng)性簡化為：針對電子機(jī)柜圍體的很多平直橫梁上微型插件孔、穿墻細(xì)纜、長方柱腳、倒圓角等盡量填平處理；由于設(shè)備內(nèi)歧型電子器、電子合成器、激發(fā)啟動器常態(tài)布置處于機(jī)柜內(nèi)部，一般不會受到外輻射擾動；由于內(nèi)在各層機(jī)柜－插件－元器件單元以及電鏈路／微帶板之間可理解于串并聯(lián)關(guān)系，也沒暫存的拓?fù)潢P(guān)系，所以其間熱輻射相干涉可不考量；針對該次輪熱仿真結(jié)果不牽涉到其個(gè)件熱況浮動，創(chuàng)建基礎(chǔ)模型時(shí)須弱化邊緣包絡(luò)，變型是角形或方形；此外，如更細(xì)致結(jié)構(gòu)處理需單獨(dú)加載局部小區(qū)域熱流密度，應(yīng)表現(xiàn)為微體量小范疇元件導(dǎo)入，長厚略有一致，規(guī)整熱阻薄層生長厚度。封閉電子機(jī)柜的熱模型如圖2所示。

4 機(jī)柜熱分析

圖3所示為分類設(shè)備機(jī)柜底層風(fēng)速流線圖及其壓場圖，從該類型風(fēng)速場區(qū)中本文可清楚地發(fā)現(xiàn)多數(shù)風(fēng)量由機(jī)柜后前端散熱翅旁邊掠過，上層密小顆粒風(fēng)體由插件（歧型電子器）中間功率片側(cè)邊傳熱通過，此圖右下方設(shè)立一處泄漏風(fēng)流口，而此節(jié)點(diǎn)即為該設(shè)備電子散熱設(shè)計(jì)的特性要素，強(qiáng)振動工況下風(fēng)力瞬態(tài)流阻加大，從而致使內(nèi)部壓力逐漸增加其余風(fēng)量達(dá)到旁通效應(yīng)；在窄風(fēng)道壓力損失變大時(shí)多層圓孔散熱翅片導(dǎo)通循環(huán)擾動段，確保設(shè)備內(nèi)部壓力在同一頻段冗余內(nèi)浮動。

圖4所示為封閉設(shè)備機(jī)柜的溫度場分布云圖，因?yàn)檫@些插件卡槽在設(shè)備中數(shù)量僅3件，取中間較為惡劣的板卡展示，該圖中過熱區(qū)域多位于電子合成器、激發(fā)啟動器、控制箱、配電裝置等上側(cè)，內(nèi)置冷風(fēng)流道從機(jī)柜底層抽風(fēng)至頂端，從而體現(xiàn)出左上方器件溫度顯著高于右下方器件，這一現(xiàn)象在此封閉機(jī)柜末端工況相對多見，貼近激發(fā)啟動器的接收模塊因歧型電子器發(fā)熱模塊自身的熱冗余比逼近4.31，于是可得出相較中心區(qū)域位置的釋放熱量且再現(xiàn)超溫的現(xiàn)象?；趦?nèi)層機(jī)理此熱設(shè)計(jì)相似原理，但是本文對于封閉設(shè)備機(jī)柜插件板卡內(nèi)部局部域塊的溫升幾乎不超6.3℃，不然這一需求給當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫降暫時(shí)不可成為導(dǎo)熱鏈路節(jié)點(diǎn)，最終允許指標(biāo)范疇內(nèi)存在少許裕度。

如圖5所示，該機(jī)柜為功率加到最大負(fù)荷且調(diào)節(jié)頻率中檔時(shí)熱仿真云圖，能夠在此仿真圖中尋找到環(huán)溫逼近76.4℃，全局設(shè)備浸沒于一個(gè)強(qiáng)振動環(huán)境中，通過機(jī)柜背貼一體式空調(diào)器對機(jī)柜內(nèi)側(cè)各型插件吹風(fēng)，使冷空氣大通量掠過終端散熱翅從而循環(huán)帶離機(jī)柜。順著機(jī)柜插件導(dǎo)熱通道冷風(fēng)沿邊流動，移植在插片式PCB板間隙的擾流翅組件，可二次采用底塊功率器件熱量穿透到機(jī)柜外，進(jìn)而完全把設(shè)備器件溫度調(diào)制在80℃冗余以下。另外，圖中聚集熱量塊域臨近高熱單相區(qū)，散熱翅外殼體在強(qiáng)振動下已顯現(xiàn)出穩(wěn)定性，從下至上溫降逐漸顯著，其他區(qū)間空隙溫差比較平滑，一般情況，左側(cè)仿真溫度場要比右側(cè)溫度場平均高一個(gè)幅度。因此可說明，大氣環(huán)境中濕度越大，隨后能由強(qiáng)振動造成局部熱點(diǎn)接觸不良而溫升加速，在強(qiáng)振動較為低頻時(shí)，則會內(nèi)置空調(diào)器風(fēng)壓曲線少許會向機(jī)柜Z方向波動，然后造成了設(shè)備機(jī)柜內(nèi)部風(fēng)壓場不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這即是后繼溫度熱場顯現(xiàn)溫區(qū)斷層的機(jī)理。然而比較可信的是，中間波幅也不會相較震蕩，不將超出功率片底層冗余溫度邊界也歸于承受溫升范圍。

5 結(jié)束語

本文關(guān)注強(qiáng)振動工況下封閉電子機(jī)柜的系統(tǒng)多層聚集熱點(diǎn)的散熱問題，進(jìn)行熱分析設(shè)計(jì)。基于細(xì)化熱仿真數(shù)值計(jì)算，從優(yōu)化效能層次結(jié)合強(qiáng)振動的維度深度剖析設(shè)備機(jī)柜低側(cè)的多數(shù)發(fā)熱元器件的結(jié)構(gòu)包絡(luò)及熱性能形態(tài)，以拓展振動平臺置于的背部冷風(fēng)擾流形式，然而此類內(nèi)外熱接口特性應(yīng)需在更寬松的內(nèi)嵌柜體上實(shí)施導(dǎo)熱固化及傳輸，達(dá)到機(jī)柜后方或其邊隔間隙集中填進(jìn)導(dǎo)軌和熱沉凸臺，再利用夾角區(qū)叉排布置各型歧型電子器、激發(fā)啟動器、配電裝置及測恣回路等器件。由分析結(jié)果得出，設(shè)備機(jī)柜通風(fēng)上下兩側(cè)劃分出高低不均勻溫場區(qū)，終端本體對于測試回路、電子合成器和激發(fā)啟動器取用大范圍熱點(diǎn)，僅涉及少許下沉風(fēng)道，進(jìn)一步融合消除了省電平臺性能與元器件熱點(diǎn)的不均衡差異。相比往常傳統(tǒng)強(qiáng)抗振動熱設(shè)計(jì)方式存在較為脆弱的多熱點(diǎn)關(guān)節(jié)，本次加配兼裝規(guī)避繁雜且質(zhì)量減少，繼而經(jīng)過熱設(shè)計(jì)改裝設(shè)計(jì)，降低了設(shè)備器件溫度，可較好滿足指定指標(biāo)下元器件熱需求。此類設(shè)計(jì)可為同類強(qiáng)振動環(huán)境電子機(jī)柜散熱設(shè)計(jì)提供借鑒。

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