王雪瑤，王磊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子產(chǎn)品的熱流密度急劇升高，過高的溫度對(duì)電子設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，在進(jìn)行電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須對(duì)設(shè)備的熱特性進(jìn)行分析，實(shí)施有效的熱控制措施[1]。目前，電子設(shè)備機(jī)箱常見的冷卻方式主要為風(fēng)冷和液冷兩種。風(fēng)冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造成本低、可靠性高，但其散熱能力差，對(duì)于溫升更高、熱流密度較大的電子設(shè)備，很難滿足其使用要求，且受外部環(huán)境溫度的影響很大。液冷機(jī)箱散熱能力強(qiáng)，特別是對(duì)于高熱流密度的電子設(shè)備，具有更好的散熱效果，但其加工工藝復(fù)雜、研制難度大、制造成本較高，并且容易發(fā)生泄漏，產(chǎn)品的安全性和可靠性存在較大隱患[2-4]。

本文為解決高溫環(huán)境條件下的機(jī)箱散熱問題，綜合考慮上述兩種機(jī)箱的特點(diǎn)，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路。采用風(fēng)冷機(jī)箱作為其主體架構(gòu)，結(jié)合成熟的風(fēng)機(jī)盤管散熱技術(shù)，利用液冷有效改善環(huán)境溫度，增強(qiáng)機(jī)箱的散熱能力，滿足設(shè)備使用效能，同時(shí)提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體布局設(shè)計(jì)

本機(jī)箱屬于地面電子設(shè)備，安裝于天線背箱內(nèi)，環(huán)境溫度很高。其內(nèi)部要求安裝6個(gè)風(fēng)冷插件，主要功能為固定機(jī)箱內(nèi)部模塊、實(shí)現(xiàn)模塊與背板之間各類信號(hào)的傳輸、冷卻機(jī)箱內(nèi)模塊的電子元器件等。結(jié)合上述需求，為了提高產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)兼顧其經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性，決定在原有風(fēng)冷機(jī)箱架構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用成熟的風(fēng)機(jī)盤管技術(shù)，通過有效降低環(huán)境溫度的方式，改善功能模塊的工作溫度，增強(qiáng)產(chǎn)品使用效能。設(shè)計(jì)的機(jī)箱總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 機(jī)箱總體結(jié)構(gòu)布局圖

該機(jī)箱主要由機(jī)箱箱體、功能模塊、盲配背板、轉(zhuǎn)接板和風(fēng)機(jī)盤管等組成。機(jī)箱箱體內(nèi)部安裝功能模塊，通過盲配背板和轉(zhuǎn)接板上安裝的連接器實(shí)現(xiàn)機(jī)箱內(nèi)部同外部的信號(hào)傳輸和交換。箱體下方安裝風(fēng)機(jī)盤管，通過風(fēng)機(jī)盤管產(chǎn)生的冷空氣帶走各模塊中電子元器件產(chǎn)生的熱量，提高電子元器件的散熱效率和使用壽命，保證設(shè)備穩(wěn)定、可靠地工作。同時(shí)，模塊和風(fēng)機(jī)盤管的上下布局，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的電液分離設(shè)計(jì)，避免管路泄漏造成模塊短路的風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高了產(chǎn)品的安全性。

1.2 機(jī)箱箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)機(jī)箱箱體由螺釘組裝連接而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。前、中、后橫梁與左、右側(cè)縱梁通過螺釘連接構(gòu)成機(jī)箱框架，既保證機(jī)箱強(qiáng)度又減輕機(jī)箱總質(zhì)量；上、下導(dǎo)軌由內(nèi)六角圓柱螺釘固定在橫梁上，且導(dǎo)軌槽與滑塊之間各側(cè)均留有間隙，保證機(jī)箱內(nèi)部功能模塊的安裝固定；左、右側(cè)板上的導(dǎo)軌滑塊用于風(fēng)機(jī)盤管的安裝固定，便于風(fēng)機(jī)盤管拆卸更換；風(fēng)機(jī)盤管支撐架則為風(fēng)機(jī)盤管提供強(qiáng)度支撐。

圖2 機(jī)箱箱體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 風(fēng)機(jī)盤管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)盤管包括風(fēng)機(jī)、換熱器、接水盤、室溫調(diào)節(jié)裝置和箱體等組成[5-6]。工作時(shí)，機(jī)組內(nèi)不斷地再循環(huán)大環(huán)境中的空氣，使它通過供冷水或熱水的盤管，空氣被冷卻或加熱，持續(xù)為設(shè)備提供適宜溫度的空氣，從而保證設(shè)備始終處于較為穩(wěn)定和適宜的溫度環(huán)境中。

為了滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，結(jié)合傳熱通風(fēng)的具體特性，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置如圖3所示，具體設(shè)計(jì)如下：

1)風(fēng)機(jī)盤管采用立式安裝的方式，底側(cè)為進(jìn)風(fēng)面，上側(cè)為出風(fēng)面；

2)風(fēng)機(jī)盤管設(shè)有接水盤，防止冷凝水泄漏；

3)風(fēng)機(jī)盤管設(shè)有安裝固定鎖緊器和推拉槽道，接口采用自封式快接；

4)風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)口設(shè)有溫濕度傳感器，能檢測(cè)到送風(fēng)溫度和濕度。

圖3 風(fēng)機(jī)盤管結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)冷換熱器的設(shè)計(jì)

風(fēng)冷換熱器是系統(tǒng)散熱的主要部件，換熱器的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：具有足夠的換熱能力、高效，且易于實(shí)現(xiàn)小型化、能適應(yīng)高溫環(huán)境的運(yùn)行。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，風(fēng)機(jī)盤管在用于空氣冷卻時(shí)，冷卻液冷單元提供流量為1.3 L/min、溫度為35℃的冷卻液，空氣側(cè)空氣流量≥150 kg/h、進(jìn)風(fēng)溫度為55℃時(shí)，出風(fēng)溫度≤45℃，相關(guān)計(jì)算如下[7-8]。

1)根據(jù)熱平衡方程確定兩種流體的進(jìn)出口溫度

Q=G1C1(T1in-T1out)=G2C2(T2in-T2out)

式中：G1和G2為流體質(zhì)量流量；C1和C2為流體的定壓比熱；T1in和T1out為熱流體的進(jìn)出口溫度；T2in和T2out為冷流體的進(jìn)出口溫度。

2)計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫度差

3)計(jì)算換熱系數(shù)

式中：ε為污垢熱阻系數(shù)；α1和α2分別為冷、熱流體的給熱系數(shù)。

4)計(jì)算傳熱面積

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，傳熱面積為1.16 m2。換熱器結(jié)構(gòu)采用左右對(duì)稱的2個(gè)換熱器，由高效銅管串鋁翅片制作而成，單個(gè)換熱器為2排、3列，有效管長(zhǎng)L=0.25 m,管簇高約為61.2 mm,傳熱面積約為1.26 m2，換熱器空氣側(cè)流阻在20 Pa左右，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 風(fēng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，空氣質(zhì)量流量為150 kg/h，55℃時(shí)空氣的密度為1.013 kg/m3，二者相除，可得設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)盤管時(shí)，空氣的最大體積流量近似為150 m3/h。考慮到換熱器風(fēng)阻為20 Pa，為保證出風(fēng)側(cè)≥40 Pa的余壓，則風(fēng)機(jī)在150 m3/h空氣流量時(shí)的壓頭應(yīng)≥60 Pa。結(jié)合220 V(50 Hz)電制，選取風(fēng)機(jī)型號(hào)為EBM品牌的AC4400FN型號(hào)風(fēng)機(jī)，其功耗為12 W，在最大風(fēng)量為150 m3/h時(shí)風(fēng)壓為65 Pa左右，大于設(shè)計(jì)值60 Pa，滿足系統(tǒng)需求，其性能曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)性能曲線圖

2.3 仿真分析驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，將模型導(dǎo)入ICEPAK軟件進(jìn)行仿真分析，參數(shù)設(shè)置參照相關(guān)設(shè)計(jì)要求[9]，分析結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，由于風(fēng)機(jī)盤管有效降低了環(huán)境溫度，機(jī)箱內(nèi)部的最大溫度值出現(xiàn)在箱內(nèi)最右側(cè)模塊內(nèi)部，僅為62.209℃，滿足元器件的工作要求。

圖5 機(jī)箱溫度分布示意圖

3 機(jī)箱強(qiáng)度分析

機(jī)箱框架主要由受力骨架和左、右側(cè)板通過螺釘連接而成，是整個(gè)機(jī)箱的主要承載部件。因此，文中以機(jī)箱框架作為強(qiáng)度分析的重點(diǎn)對(duì)象，進(jìn)行沖擊強(qiáng)度仿真分析。

1)材料參數(shù)

機(jī)箱框架材料選用綜合性能較好的5A06，其主要力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 5A06材料力學(xué)性能

2)載荷條件

載荷主要來自于機(jī)箱和機(jī)箱內(nèi)部的模塊單元，各模塊載荷質(zhì)量以集中質(zhì)量點(diǎn)直接施加在模塊質(zhì)心位置處，并分配到各連接處。機(jī)箱的沖擊工況為后峰鋸齒波，峰值加速度為20g，6個(gè)方向，每個(gè)方向分別施加3次沖擊。

3)分析結(jié)果

機(jī)箱沖擊工況下的分析結(jié)果如表2及圖6所示，可以看出，當(dāng)瞬態(tài)沖擊強(qiáng)度分析試驗(yàn)條件的沖擊加速度為20g時(shí)，機(jī)箱在x方向所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力位于機(jī)箱骨架頂部，用于固定模塊導(dǎo)軌槽與龍骨的螺釘孔處，為115.9 MPa，滿足材料使用要求。

表2 機(jī)箱沖擊工況下的分析結(jié)果

圖6 機(jī)箱在x向沖擊工況下的應(yīng)力分布圖

4 結(jié)語

本文綜合考慮風(fēng)冷和液冷兩種散熱方式的特點(diǎn)，針對(duì)高溫環(huán)境條件下的電子機(jī)箱散熱問題，提出了一種新的設(shè)計(jì)思路：一方面，在原有風(fēng)冷機(jī)箱架構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用成熟的風(fēng)機(jī)盤管散熱技術(shù)，通過降低環(huán)境溫度的方式，有效改善功能模塊的工作溫度，增強(qiáng)產(chǎn)品使用效能；另一方面，模塊和風(fēng)機(jī)盤管的上下布局，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的電液分離設(shè)計(jì)，避免管路泄漏造成模塊短路的風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高了產(chǎn)品的安全性。隨后圍繞其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的論述及相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，并通過仿真分析對(duì)其散熱能力和沖擊強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)需求，對(duì)以后相關(guān)問題的解決具有一定的指導(dǎo)意義。