基于气液热交换器的密闭机柜热设计*

余 涛，刘 毅，张 磊

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安710068）

引 言

随着电子技术的飞速发展和应用，一方面，电子设备朝着高集成度、高密度、高功率方向发展；另一方面，电子设备追求小型化，使用环境不断复杂化。电子设备的系统大容量和体积小型化要求它具有良好的环境适应性以保证其可靠工作[1–3]。为保证并提高电子设备在恶劣工作环境条件下的可靠性，通常将电子设备安装在某种封闭环境中，从而将它与外界的恶劣工作环境隔离开。

将电子设备安装在密闭机柜中是一种抗恶劣环境的有效隔离方式。对密闭机柜的框架采用整体铸造方式，对机柜门与柜体框架之间部分做密封处理，可有效地将机柜内外的气候环境和电磁环境隔离开来。将电子设备安装在密闭机柜内，可有效排除外界环境（如温度、湿度、电磁干扰等）对电子设备的干扰，大大改善电子设备所处的环境，对提高电子装备的可靠性、降低故障率、延长设备寿命、降低元器件的选型要求和采购成本都具有重要的现实意义[4–5]。

密闭机柜可有效排除外界恶劣环境对机柜内电子设备的影响，但机柜内设备处于密闭空间，无法与外界产生热交换，因此其散热设计成为制约电子设备性能的关键。本文设计了一种基于气液热交换器进行二次换热的密闭机柜。热仿真和热测试表明：该密闭机柜具备2 kW的散热能力，满足设计指标要求；机柜内风道设计合理，无回流、短路情况。

1 密闭机柜散热设计

1.1 密闭机柜组成

某密闭机柜由机柜柜体、柜门、组合插箱、气液热交换器、减震器等组成，如图1所示。

图1 机柜整体布局示意图

密闭机柜的外形尺寸为1 600 mm（高）×668 mm（宽）×550 mm（深），机柜内部宽度为标准的24英寸（1英寸=2.54 cm），可用高度空间为31U（1U=44.45 mm），可用于安装各类标准宽度的组合插箱。

1.2 密闭机柜热设计要求

某密闭机柜内装电子设备的总热耗为2 kW，机柜工作环境温度为−40◦C∼+50◦C，散热用淡水温度不超过30◦C。

1.3 密闭机柜热设计方案

本文设计的密闭机柜采用气液热交换器进行二次换热。机柜内部为强迫风冷，由气液热交换器为机柜内部提供冷风并回收热量，完成内循环。机柜外部为液冷，气液热交换器和外部液冷设备进行热交换，热量由液冷设备带走，完成外循环，从而在机柜内部形成与外界环境隔离的散热空间。

1.3.1 风量计算及气液热交换器选型

风量Q1根据式（1）计算：

式中：φ1为热耗，取2 120 W（气液热交换器热耗为120 W）；Cp,1为空气比热容，取1 005 J/（kg·◦C）；ρ1为空气密度，取1.093 kg/m3（50◦C）；∆T1为空气温升，取10◦C。

将以上数据带入式（1）求得所需空气流量Q1为694.8 m3/h。根据计算结果，选用的气液热交换器的主要技术指标见表1。

表1 气液热交换器主要性能指标

综合考虑安全性和维修性，将气液热交换器布置在密闭机柜的最下端，以免意外情况下冷却液泄漏对机柜内电子设备产生影响。气液热交换器通过两侧导轨与机柜连接，以方便维护和维修。

1.3.2 机柜风道设计

各组合插箱正面下端预留有进风风口，后背部安装有抽风风扇，整个组合插箱为“Z”字型风道。

气液热交换器布置在机柜最下端，其前面板设置有供风口，供风口设置导向板将冷风导至各组合插箱进风口面。气液热交换器后部设有回风口和抽风风扇，回收由各组合插箱排出的热空气。热空气在气液热交换器内部完成热交换，变成冷风后重新提供给各组合插箱。

机柜内各组合插箱及气液热交换器从上到下排列，将组合插箱正面与柜门之间的空间以及组合插箱背面与机柜后门之间的空间作为风道。机柜内各组合插箱为并联形式，由气液热交换器和组合插箱的风扇驱动完成热交换循环。整体风道形式如图2所示。

图2 机柜风道示意图

2 密闭机柜热仿真分析

采用ANSYS Icepak 19.2软件对该密闭机柜进行热仿真分析。

2.1 热仿真模型简化及网格划分

综合考虑计算成本和仿真结果的准确性，对模型进行简化，将对散热影响较小的倒角、螺纹孔、密封圈槽、减震器、加强筋等特性进行简化。简化后的模型如图3所示。

图3 简化后的几何模型

将简化后的机柜模型导入ANSYS Icepak中，选用Mesher-HD方法，采用多级网格技术进行网格划分，网格数量为2 036 724，网格节点数为2 445 181，得到的密闭机柜的网格模型如图4所示。

图4 密闭机柜网格模型

2.2 热仿真边界条件设置

环境温度为50◦C，气液热交换器的供风温度为42◦C（测试得到），供风流量为700 m3/h。气液热交换器内部含有风机，工作时会引入热耗。密闭机柜内装设备的热耗见表2。密闭机柜和各组合插箱的材料设置为6061铝合金。

表2 密闭机柜内装设备的热耗 W

2.3 热仿真结果

2.3.1 温度仿真结果

各组合插箱进风口、气液热交换器供/回风口的温度仿真结果如图5所示。

图5 组合插箱进风口和气液热交换器的温度仿真结果

由图5可知：机柜内部越靠近上部的组合插箱入口处的温度越高，1号组合插箱入口温度比4号组合插箱入口温度高约3◦C，各组合插箱入口温差≤5◦C；3号组合插箱热耗最大，其出风口温度最高，进出风口温差最大，约为8.4◦C；气液热交换器供/回风口温差约为10◦C，满足设计指标要求。

2.3.2 速度仿真结果

由仿真得到的机柜内部速度场分布如图6所示。

图6 速度场仿真结果

由图6可知：机柜内部不存在短路、回流现象；下部组合插箱进风口速度大，约为4 m/s，上部组合插箱进风口风速略小，约为3 m/s。

2.3.3 压力仿真结果

由仿真得到的机柜内部压力场分布如图7所示。

图7 压力场仿真结果

从图7可知，机柜内气液热交换器供风口和回风口之间的压差约为32 Pa。

2.4 小结

由热仿真结果可知：

1）该密闭机柜在空气进出温升约为10◦C时，具备2 kW的散热能力，密闭机柜的热设计满足指标要求。

2）密闭机柜内部风道设计合理，不存在局部短路、回流现象；各组合插箱的入口温差≤5◦C。

3）气液热交换器供/回风口压降约为32 Pa，低于40 Pa，符合要求。

因此，在实际使用时，建议将热耗大、耐高温性差的器件布置在靠近机柜下端的组合插箱内，将热耗小，耐高温性好的器件布置在机柜上端的组合插箱内。

3 密闭机柜热测试

为验证该密闭机柜在规定的工作环境温度下是否满足散热指标要求，搭建了热测试系统，对密闭机柜进行了高温工作测试。同时将测试结果与仿真结果进行比较，以验证仿真的准确性。

3.1 热测试系统组成

密闭机柜温度试验测试系统主要由密闭机柜、5 kW液冷机组、数据采集仪及温度传感器等组成，如图8所示。

图8 密闭机柜测试系统组成示意图

试验时，测试气液热交换器供/回液的温度、各组合插箱的温度及气液热交换器供/回风的温度，验证密闭机柜的散热能力。温度数据测试通过Agilent 34972A型温度记录仪配合多路T型热电偶温度传感器完成。用于热测试的主要仪器和设备见表3。

表3 主要测试用仪器和设备

实验开始前对各温度传感器进行校核，剔除由传感器故障带来的测试误差，同时用钳流表对各组合的实际热耗进行测试。结果表明，各组合插箱的实际热耗与表2中的值基本一致。

3.2 热测试结果

根据GJB 150.3A《军用装备实验室环境试验方法第3部分：高温试验》的条件，将密闭机柜放置于环境实验室温箱内，环境温度设置为50◦C。冷却液为65#防冻液，液冷机组的供液温度设置为30◦C。

对密闭机柜加电测试，每隔10 min记录一次各温度传感器采集到的温度数据。约90 min后，各传感器的温度数据稳定，机柜达到热平衡状态。根据该时刻的数据来计算密闭机柜的散热量。

机柜达到热平衡状态时，气液热交换器的供液温度为32.5◦C，回液温度为37.8◦C，供液流量为7.05 L/min。由气液热交换器带走的热量φ2根据下式计算：

式中：Cp,2表示流体的定压热容，取3 027 J/（kg·◦C）；ρ2表示流体的密度，取1 089 kg/m3；Q2表示流体的体积流量，为7.05 L/min；∆T2表示流体温升，为5.3◦C。

将测试数据带入式(2)计算得到由气液热交换器带走的热量φ2=3 027×1 089×7.05/(60×1 000)×5.3=2 052.8 W。

由计算结果可知，在高温情况下，液冷机组供液温度为30◦C时，由气液热交换器带走的热量占密闭机柜总热耗的96.8%。

3.3 仿真与测试对比

取各组合插箱进/出风口、气液热交换器供/回风口共10处温度的仿真结果和实测结果进行对比，多个监测点取算术平均值，见表4。

表4 仿真和实测结果对比

由表4可得出以下结论：

1）气液热交换器供/回风温差为9.7◦C时，机柜的散热能力达到2 052.8 W；

2）气液热交换器的供风温度比冷却液的温度高约12◦C；

3）各组合插箱进风口处的仿真温度数值和实测温度接近，温度误差都在5%以内。

由热测试试验可知，密闭机柜内部发热量为2 kW时，气液热交换器的供/回风口温差≤10◦C，各组合插箱的入口温差≤5◦C，热设计满足指标要求。

4 结束语

本文设计了一种基于气液热交换器进行二次换热的利用机柜、组合插箱、气液热交换器及风扇形成内部循环风道的密闭机柜。由仿真及测试可知：

1）进出口空气的温升约为10◦C时，该密闭机柜具备2 kW的散热能力；

2）机柜底部组合插箱的入口风温最低，最上端组合插箱的入口风温最高，温差约为3◦C；

3）机柜内部风道布置合理，不存在短路及回流现象。

本文主要对机柜散热及风道设计进行了研究，但未深入分析内装组合插箱的风道设计。使用该密闭机柜时，各组合插箱还应该根据热耗等信息，合理选取风扇，优化风道，保证自身的散热能力。在密闭机柜及内装组合插箱组成的散热系统中，有多个风扇串并联使用，如何进行系统仿真，给各组合插箱合理分配风量还有待进一步研究。