張育棟，李兵強，尤 浩，賈光南

(西安導航技術研究所，陜西 西安 710068)

隨著電子技術在軍品、民品等領域的廣泛應用，電子設備正在向模塊化、微小型化、高集成化方向發(fā)展。為了保證電子設備正?？煽康毓ぷ鳎乐乖骷崾В仨氝M行有效的熱設計，以保證它們在規(guī)定的熱環(huán)境下能按預定的方案正常、可靠地工作[1]。

強迫風冷是電子設備常用的一種冷卻方式。強迫風冷機箱一般可分為開放式機箱和密閉機箱兩種，其中密閉機箱可以將其內部模塊和元器件與外部空氣隔離開，從而避免外部惡劣氣候條件對設備造成直接危害，因而具有良好的環(huán)境適應性[2]，特別是采用真空釬焊成型的密閉機箱在軍用電子設備中有著廣泛的應用[3-4]。

為了驗證密閉電子機箱的實際散熱效果，本文采用試驗的方法，通過測量機箱的入口風量、機箱及模塊各關鍵點的溫升，對其散熱性能進行全過程測試，分析影響因素并進行改進。

1 試驗對象

本文以19英寸密閉電子機箱為試驗對象，其外形尺寸為寬482.6 mm×高 265.9 mm×深327.5mm(不含把手、連接器、風機等突出物)，內部安裝標準6U模塊，安裝槽間距為25.4 mm。

1.1 機箱組成

密閉電子機箱主要由機箱箱體、前面板、后面板和風機組成，如圖1所示，前面板設計進風口，后面板安裝的風機向外抽風。機箱箱體零件材料為鋁合金3A21，采用真空釬焊焊接成型，波紋板翅片焊接在上下導軌板的風道中。波紋板翅片為平直型多孔式結構，材料為鋁合金3003，其參數如下：翅片厚度0.2 mm，間距3.0 mm，高度9.5 mm，翅片上分布的小孔直徑為1.7 mm，間距為5.7 mm。

圖1 機箱結構組成示意圖

1.2 熱測試模塊

熱測試模塊采用標準6U結構，外形尺寸為233.4 mm×160.0 mm×24.0 mm，如圖2所示。熱測試模塊共10個，編號為01#～10#，按圖3所示在機箱中安裝。

圖2 熱測試模塊組成圖

圖3 熱測試模塊安裝示意圖

熱測試模塊的熱源由發(fā)熱電阻(尺寸為10.0 mm×16.0 mm×4.5 mm)和銅塊(尺寸為30.0 mm×30.0 mm×2.0 mm)進行模擬，用緊固件固定在導熱盒上。導熱盒兩側導軌上安裝XS5F-135型鎖緊裝置。導熱盒的材料為鋁合金5A06，導熱盒散熱面厚度為2.5 mm。在發(fā)熱電阻和銅塊、銅塊和盒體之間都涂有導熱硅脂。模塊通過四芯J30J型連接器供電，發(fā)熱電阻通過導線并聯在連接器上，供電電壓為24 V。

模塊的總功耗、熱源數量、熱源位置及最大熱源功耗都不盡相同，具體見表1。根據熱源的功耗和熱源的面積，可以算出模塊局部的最大熱流密度為15.625 W/cm2。將08#、09#、10# 3個40 W的模塊分別布置在機箱最左側、中間、最右側位置。

表1 熱測試模塊信息統計

1.3 風機選擇

對于強迫風冷機箱，風機選型是散熱設計的重點[5]，依據總發(fā)熱量計算冷卻空氣體積流量，再結合機箱風阻曲線確定所需風壓，從而選擇風機型號。一般采用理論計算和仿真來獲取機箱的風阻曲線，但與實際都會有一定的誤差[6]。風機在實際工作中很可能會偏離選定的工作點，因此通過試驗測試風機的工作效果顯得尤為重要。

依據熱平衡方程計算冷卻空氣理論體積流量：

Q=Φ/ρCPΔt

式中：Q為冷卻空氣理論體積流量，m3/s；Φ為機箱總熱功耗，為345 W；ρ為空氣的密度；CP為空氣的比熱容；Δt為冷卻空氣溫升，取值為15 ℃。

空氣物性參數采用ANSYS Icepak 18.2中的數據，見表2，經計算得Q=1.97E-02 m3/s = 70.93 m3/h。

表2 空氣物性參數

測試選用的風機型號為EBM 4412FNH，其外形尺寸為119 mm×119 mm×25 mm，最大風量(空氣體積流量)為225 m3/h，最大風壓為199 Pa，轉速為5 400 r/min。

1.4 散熱路徑分析

機箱的散熱路徑為發(fā)熱器件→模塊導熱盒→導熱盒導軌及鎖緊裝置→機箱導軌→波紋板翅片，波紋板翅片極大地擴展了機箱的散熱面積[7]，機箱內部模塊通過上下導軌將熱量傳導至波紋板，再由風機抽風帶走熱量[8]。

根據機箱的結構組成和散熱路徑，可以將其總溫升劃分為3個主要部分：1)模塊的傳導溫升；2)機箱模塊間的綜合溫升(含鎖緊裝置)；3)機箱的溫升。在機箱及內部模塊布置測溫點，測得上述各部分溫升，分析各部分溫升占總溫升的比例可以發(fā)現散熱的瓶頸環(huán)節(jié)并進行改進；通過測試機箱的入口風速，結合機箱的溫升，判斷風機的實際工作風量是否達到設計要求，綜合上述分析判斷機箱能否滿足熱設計要求。

2 試驗目的

在室內環(huán)境中，通過試驗測試研究機箱的散熱性能?？紤]到機箱工作時環(huán)境最高溫度不超過55 ℃，依據其內部模塊、元器件的耐高溫性能(85～105 ℃)，機箱內部溫升一般應控制在30～50 ℃[9]。本文試驗具體要求如下：機箱內部模塊總功耗為345 W，在常溫(室內)條件下工作時，機箱內部溫升不超過50 ℃。

2.1 風機安裝結構對比

風機安裝在機箱后面板上，后面板內部的風道即風機的進風口，此風道的深度對風機風量有較大影響[10]，試驗采用3種不同風道深度的后面板結構，分別為HG01、HG02和HG03，如圖4所示。

圖4 風機安裝結構示意圖

結構HG01中風機直接安裝在后面板上，后面板厚度為22.5 mm，內部風道的深度為17.5 mm；結構HG02與HG01基本一致，不同點是在風機后面10 mm處安裝擋板；結構HG03在風機與后面板之間安裝墊塊，后面板風道深度為35.5 mm。

2.2 模塊導熱盒對比

熱測試模塊主要通過傳導散熱，改變模塊的材料或厚度就可以影響模塊的散熱能力，對比測試信息具體見表3。

表3 模塊導熱盒信息統計

01#和01a#模塊的熱源布置完全一致，導熱盒所用材料不同，01#模塊導熱盒選用導熱率較高的2A12；09#和09a#模塊熱源布置完全一致，導熱盒厚度不同，09a#模塊導熱盒厚度更厚。將這兩組模塊進行對比測試，可以看到模塊散熱能力提升的效果。表4中列出了常用鋁及鋁合金材料的導熱率[11]。

表4 常用鋁及鋁合金材料導熱率(20 ℃)

3 試驗方法和過程

3.1 試驗環(huán)境搭建

在室內進行測試，如圖5所示。試驗設備見表5，用多點測溫儀記錄機箱、模塊的溫度，用風速儀測試機箱入口的風速。風機和模塊分別用兩個電源供電，每次加電測試用數字鉗型表測量總的供電電壓和電流，監(jiān)測機箱的散熱功耗。

表5 試驗設備一覽表

圖5 機箱常溫試驗環(huán)境示意圖

3.2 溫度測點布置

選取機箱散熱路徑上的關鍵點布置熱電偶，對散熱路徑上的主要熱阻進行分析，具體位置如下：

1)測溫點A在模塊導熱盒外側，發(fā)熱功耗最大熱源的背面位置；

2)測溫點B在模塊導熱盒內部，模塊側壁距離發(fā)熱功耗最大熱源最近的位置；

3)測溫點C在機箱上導軌槽壁面或下導軌槽壁面，距離測溫點B最近的位置。

測溫點A的溫升即是模塊的總溫升，A、B間的溫差是模塊的傳導溫升，可以反映模塊傳導散熱能力的強弱，B、C間的溫差是機箱和模塊連接處的綜合溫升，可反映鎖緊裝置的綜合散熱效果，測試點C的溫升是機箱的溫升，可表征機箱的傳導和對流換熱效果。選取08#、09#、10# 3個功耗為40 W的模塊分別布置A、B、C3個測溫點，其余模塊只布置一個測溫點A，熱電偶用耐高溫膠帶貼在測溫點。同時測試室內溫度，計算出各測溫點的溫升值。

3.3 風速測試點布置

機箱前面板有8個面積一樣的入口，尺寸為寬92.0 mm×高8.5 mm。按圖6中所示編號，在每個入口的中間位置進行測試，記錄入口風速值。

圖6 機箱入口編號示意圖

根據預估的風量70.93 m3/h，可以算出入口的平均風速為3.15 m/s。

4 試驗數據分析

4.1 風機安裝結構測試分析

機箱換裝不同的后面板進行入口風速和模塊溫升測量，結果分別見表6和表7。第一次試驗使用結構HG01，測得入口平均風速為0.86 m/s，估算風機風量為19.37 m3/h，遠遠達不到所需風量，并且觀察到風機出風口有較強的回流。這是因為風機安裝在后面板風道90°拐彎處，風道深度只有17.5 mm，風機進風口貼近氣流受限區(qū)域，造成部分冷卻氣流短路[12]，減小了機箱入口的風量。

表6 風速測量值

表7 模塊溫升 單位：℃

第二次試驗使用結構HG02，測得機箱入口的平均風速為2.1 m/s，估算風機風量為47.30 m3/h。風機后面的擋板可以減弱出風口的回流，一定程度上改善風機的工作質量。

第三次試驗在風機與后面板之間墊入高度為 18 mm的墊塊，使風道深度達到35.5 mm，測得機箱入口的平均風速為3.26 m/s，估算風機風量為73.42 m3/h。

可以發(fā)現，風機的安裝結構對風機的性能有較大的影響，合理的安裝結構[1，12]可保證風機進風處風道有足夠的深度，才能充分發(fā)揮風機的性能。由表7和圖7中數據可以看出，隨著入口風速的提高，模塊的最大溫升顯著降低，對比3種不同的風機安裝結構，只有08#模塊的溫升均超過了50 ℃。

圖7 模塊A點溫升曲線

4.2 模塊溫升數據分析

選用結構HG03，進行多次試驗并記錄08#、09#和10# 模塊的測溫點數據，具體見表8，其中08#和10#模塊中發(fā)熱功耗最大的熱源都是25 W。由表可知，08#模塊中A、B點溫差占模塊總溫升的比例近55%，而在10#模塊中這個比例只有40%左右，這是因為在08#模塊中此熱源布置在略靠近模塊導熱盒中間的位置，測溫點A、B點之間的距離約為65 mm，傳導路徑長，傳導溫升大；10#模塊測溫點A、B之間的距離約為35 mm，傳導路徑短，傳導溫升小。另外還可以發(fā)現，3個模塊B、C點之間的溫差值比較接近。

表8 模塊測溫點數據對比 單位：℃

為了降低模塊的溫升，結合機箱的散熱路徑，通過比較模塊各部分溫升占總溫升的比例，可以發(fā)現，機箱的入口風速和風量滿足預期值，風機選型合理；模塊與機箱之間采用典型的鎖緊裝置鎖緊，結構形式固定，B、C點之間的溫差也很難減小；最直接的方式就是提升模塊的傳導散熱能力，降低其傳導熱阻，從而降低模塊的溫升。

在進行第04、05次試驗時，先松開01#、06#和09# 3個模塊的鎖緊器，再以相同的力矩擰緊，然后加電測試。各模塊A點溫升值測量結果及誤差見表9，取3次測量值的平均值，并求出3次測量值與平均值的最大誤差，其中09#模塊最大誤差為7.367%，說明本次試驗可重復性好、試驗有效。在第04次試驗時，由于09#模塊鎖緊器松開后再次擰緊力矩不足，造成模塊與機箱導軌處接觸不良，使B、C點之間溫差增加，因此09#模塊A點的溫升變大，在第05次測試時重新鎖緊，09#模塊A點的溫升立即降低。

表9 模塊A點溫升及誤差

4.3 模塊傳導散熱分析

選用結構HG03，用01a#、09a#模塊分別在原位替代01#、09#模塊進行試驗，06#模塊與01#、01a#模塊的熱源布置完全一致，也加入對比，測得溫升結果見表10。由表中數據可知，01#模塊采用鋁合金2A12，其A點的溫升比01a#模塊降低8.42 ℃，與06#模塊溫升相比降幅超過10 ℃；09a#模塊A點的溫升比09#降低15.47 ℃。由此可以說明，選用高導熱率材料或者增加導熱盒厚度，能有效提高模塊的傳導散熱能力，從而降低模塊的溫升。

表10 模塊溫升數據對比

5 結論

本文在室內環(huán)境中對密閉電子機箱的散熱效果進行了試驗研究，對比了風機安裝結構、模塊傳導散熱能力對機箱整體散熱性能的影響。經過測試和分析，可以得出如下結論：

1)當機箱內部模塊總功耗為345 W，單個模塊功耗不超過40 W、單熱源功耗不超過25 W，在常溫工作時，機箱和模塊具有良好的散熱能力；

2)合理的風機安裝結構是保證風機正常工作的關鍵，對于抽風風機，保證其進風口風道有足夠的深度，才能充分發(fā)揮風機的性能；

3)模塊自身的傳導溫升不可忽視，在總溫升中占比較高，選用高導熱率材料或者增加導熱盒的厚度可以有效提高模塊的傳導散熱能力，顯著降低模塊的溫升。