張云超（中國船舶重工集團公司第七二六研究所上海201108）

某船用電子機柜熱設(shè)計研究?

張云超
（中國船舶重工集團公司第七二六研究所上海201108）

論文針對某船用電子設(shè)備的開式機柜進行散熱設(shè)計，建立了該機柜的三維模型和自然散熱情況下的熱路圖，并對該機柜的自然對流換熱、輻射換熱、傳導散熱和通風孔散熱的功率進行了計算分析。然后對該機柜強迫風冷下的散熱進行分析計算和實驗驗證，優(yōu)化了該機柜的熱設(shè)計。

開式機柜；自然散熱；強迫風冷

Class Num ber TH12

1 引言

隨著溫度的升高，失效率迅速增加。一般元器件的環(huán)境溫度升高10℃，元器件的失效率會增加一個數(shù)量級［1］。

電子設(shè)備的熱環(huán)境通常包括：環(huán)境溫度和壓力的極限值；環(huán)境溫度和壓力的變化率；太陽或周圍物體的輻射熱；可利用的熱沉（又稱熱地）；冷卻劑的種類、溫度等參數(shù)。所謂熱沉，是指一個無限大的熱容器，它的溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化，它可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙，又稱熱地［2］。

2 整機自然散熱分析

自然冷卻時，機箱散熱主要包括空氣自然對流換熱、輻射換熱、傳導散熱和通風孔散熱。

某機柜外形尺寸為高度H為1.6m，寬度a為 0.6m，深度b為0.55m，熱功率750W（電功率3kW，熱效率按25%計算），以環(huán)境溫度30℃，機柜壁溫45℃設(shè)計環(huán)境下，設(shè)計自然冷卻環(huán)境下通風孔的最小面積。

該電子機柜的三維模型如圖1所示，該機柜頂部設(shè)計有通風孔，為開式機柜，其熱路模型如圖2所示。

2.1 空氣自然對流換熱

通過機柜外壁所傳遞的熱量為

式中：h為對流換熱系數(shù)(W/(m2×°C))；A為散熱面積(m2)；D t為溫度差(°C)；k為導熱系數(shù)(W/(m×°C))；D為是特征尺寸(m)；C，n為系數(shù)，取值如表1；Gr為葛拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；β為體積膨脹系數(shù)；v為運動粘度；μ為粘度；Cp為比熱。

表1 系數(shù)C，n取值表

側(cè)壁的對流換熱系數(shù)為

頂面的對流換熱系數(shù)為

底面的對流換熱系數(shù)為

機柜側(cè)面的表面積為

機柜底面和底面的表面積為

綜上，在自然對流換熱狀態(tài)下，機柜的對流換熱總熱量為

2.2 輻射換熱

根據(jù)基爾霍夫定律，實際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比為黑度（也叫黑率），黑度的大小取決于物體的材料、溫度及其表面狀態(tài)（如粗糙度、氧化程度和涂覆情況等），得到機柜的輻射熱量計算公式如式（3）

式中：ε為黑度；T為溫度（K）。

該機柜的總面積為

根據(jù)機柜的表面涂層，黑度為0.8，機柜的輻射散熱總熱量為

2.3 傳導散熱

機柜的熱量可以通過底部的8個M12不銹鋼螺釘傳導散熱，其傳熱量可以通過式（4）計算：

式中：δ為厚度(m)。

該機柜傳導散熱量為

2.4 通風孔散熱

機柜通過自然對流散熱、輻射散熱、底部的傳導散熱三種方式總散熱為

式中：H為進出風口高度差(m)；A為通風孔面積(m2)；D t為進出風口的溫差(°C)。

機柜頂部出風口與底部進風口高度差為1.5m，進出口空氣溫差10(°C)，通風孔最小面積為

綜上，進風口最小面積應大于0.09m2，頂部出風口應該比進風口略大一些。由理論計算可看出，自然散熱條件要求的通風口面積略大，不利于進行整體的防護設(shè)計，需要考慮進行強迫風冷設(shè)計。

3 整機強迫風冷設(shè)計分析

設(shè)計在機柜頂部安裝風機，通過強迫風冷的方式進行散熱計算。根據(jù)熱平衡方程，可得到機柜所需的通風量為

式中：ρ為空氣的密度；D t為冷卻空氣進出口溫差(°C)。

D t的確定涉及一系列迭代計算，一般可取10°C左右。在精確計算時，要考慮到機柜四周對大氣的輻射和自然對流換熱所散去的熱量，再求所需風量。

若不考慮機柜的輻射散熱和自然散熱的散熱量，所需風量為

在選擇風機時，還要考慮到風機的效率，這是由于氣體流經(jīng)風機的葉輪槽道、外殼時有阻力損失，以及機殼中氣體的泄露造成的。

4 結(jié)語

本試驗所用W2E143-AA09-01型風機，其功率26W，最大風量0.11m3s，風機效率為75%。通過24小時整機試驗，整體散熱滿足設(shè)計要求。

通過采用強迫風冷的方式，減少了通風口面積，再風機口安裝過濾網(wǎng)和防護網(wǎng)，成本相對較低，且結(jié)構(gòu)簡單。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京：東南大學出版社，2001.

［2］李逗，劉樹斌，楊春雨.長壽命星載電子設(shè)備環(huán)境適應性設(shè)計與驗證［J］.電子質(zhì)量，2014（8）：75-83.

［3］唐遠明，張安娜，趙威.高密度機柜散熱策略分析與實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2009（5）：4043-4051.

［4］徐勇田，錢吉裕，沈雯華.某雷達發(fā)射機機柜熱設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子機械工程，2010（6）：14-16.

［5］丁東旭，郭新，魏紀君等.循環(huán)風冷卻系統(tǒng)在艦載密閉式電子機柜中的應用與分析［J］.發(fā)電與空調(diào)，2010（6）：14-16.

［6］盧錫銘.電子設(shè)備熱仿真及熱測試技術(shù)研究［J］.艦船電子對抗，2013（6）：118-120.

［7］賁少愚.一種機載電子設(shè)備的熱設(shè)計仿真與試驗研究［J］.現(xiàn)代雷達，2015（7）：73-79.

［8］張萬俊.電子設(shè)備熱設(shè)計在仿真軟件中的運用［J］.艦船電子工程，2012（10）：146-148.

［9］樊波，李玲.大功率電磁加熱系統(tǒng)的散熱設(shè)計［J］.計算機仿真，2016（2）：265-268.

［10］方益奇，孫玲玲.雷達電子機箱的熱設(shè)計與仿真分析［J］.機械設(shè)計與制造，2010（12）：265-268.

Therm alResearch on M arine Electronic Equipm ent

ZHANG Yunchao
（No.726 Institute，CSIC，Shanghai 201108）

In this paper，the thermal design of a open cabinetofmarine electronic equipmemt is presented.The cabinet?s 3D modeland thermal diagram ismade，and the heatpower of the natural convection，radiation，conduction and ventilation from air-in?take are calculated.Then heatpower of the forced air cooling isalso calculated and tested，the thermal design isoptimized.

open cabinet，natural convection，forced air cooling

TH12

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.035

2016年11月7日，

2016年12月27日

張云超，男，工程師，研究方向：船舶電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。