某舰载电子机箱的散热设计*

刘瑞国，卢 山，陈年瑞

（长沙湘计海盾科技有限公司，湖南 长沙 410000）

引 言

随着电子技术的发展以及用户对电子设备性能指标的要求不断提高，高密度、大功率、小型化的元器件被广泛应用，设备的总功耗及热流密度不断增大，对电子机箱的散热设计提出了更高的要求。研究表明，55%的电子设备因温度过高而失效[1]，因此合理的散热设计可以提升产品的可靠性。

舰载电子设备长期处于高温、高湿等恶劣环境，同时还需满足不断提高的电磁兼容和可靠性指标要求，因此，电子设备优先采用密闭机箱。在密闭电子机箱散热设计领域，目前主要针对某一类或特定的产品，集中在理论分析、方案优化及试验验证等方面进行单一或多元组合研究，阐述密闭电子机箱散热设计的基本流程及方法[2-4]。这些研究模型相对简单，仿真分析过程较少，对具体产品研制的指导有限。

本文以某舰载电子密闭机箱为研究对象，针对其机箱尺寸小、内部模块多、热耗大以及部分器件热耗过于集中的问题进行分析，从机箱的结构布局、散热方式选择和散热材料选择3个方面进行理论分析计算，运用Flotherm软件进行仿真分析，并通过试验测试对设计方案和仿真结果进行评价。

1 结构布局

本项目整机外形采用19英寸（1英寸=25.4 mm）上架机箱标准尺寸，高度3U（1U= 44.45 mm）。整机由前面板、后面板、密闭腔体、5个模块以及上下两个独立风道组合而成。机箱采用全密闭结构，内部主要包含计算、管理、信号处理、音频以及电源模块。机箱内部的详细布局如图1所示。

图1 机箱内部结构布局

电源和音频模块采用3U标准结构，计算、管理及信号处理模块采用6U标准结构，便于模块维护。各大模块通过锁紧机构与机箱进行固定，并提供模块导冷板与机箱之间的热传导路径。机箱上下表面设计散热齿，增加散热面积，机箱表面的散热齿和盖板共同形成密封腔体，通过前面板与后面板对应位置的通风孔形成机箱上下表面的风道。

整机的散热路径分为机箱外部散热和内部散热两种。机箱外部散热主要依靠强迫风冷，采用机箱前面板进风、后面板出风的抽风模式对机箱上下表面及散热齿进行冷却，机箱侧壁主要通过自然对流进行散热，如图2所示。其中，上下模块导冷板紧贴机壳壁，主要通过热传导传递热量至机壳表面，中间模块的导冷板通过两侧锁紧机构传导热量至机箱侧壁。具体来说，计算、信号处理、音频和电源模块主要通过导冷板与机箱壁接触散热，管理模块主要通过两侧锁紧接触面传导热量至机箱侧壁。

图2 整机散热流程图

机箱内部的散热路径为发热器件→导热垫→导冷板→机箱表面，如图3所示。各个模块均设计有导冷板，导冷板与发热器件之间填充弹性导热橡胶材料，形成热交换通道。发热器件的热量通过热传导传递至导冷板，再通过锲形锁紧机构和紧贴的机箱内壁传导至机箱表面。

图3 上部模块详细散热示意图

2 热设计

整机散热设计的基本任务是在热源到热沉（大气）之间提供一条低热阻通道，保证热量迅速传递出去，以满足整机正常工作要求。

本项目整机总热耗约为210 W。计算模块：75 W，贴壁安装；管理模块：15 W，机箱内部两侧锁紧；信号处理模块：65 W，贴壁安装；电源模块：30 W，贴壁安装；音频模块：25 W，贴壁安装。

2.1 材料选择

综合材料的导热系数、密度及力学性能，机箱的主要框架采用铝合金材料，机箱内部采用钢、非金属绝缘、橡胶、玻璃镀银等材料，板卡采用CPEX标准规范，印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）正面设计导冷板，并用两侧的锁紧机构锁紧，提升板卡的抗振动冲击性能。导冷板采用6系铝合金加工成型并进行阳极氧化处理，提升表面的辐射散热能力。

2.2 冷却方式选择

通过机箱内部布局可知，机箱主要的热源集中于机箱的上下表面。机箱宽度W= 42.5 cm，机箱深度D= 36 cm，高度H= 12.25 cm，上下表面的面积A上=A下=W×D=1 530 cm2。

机箱上表面热量Φ上主要来自计算模块和音频模块的贴壁传导散热，Φ上= 75 + 25 = 100 W。上表面的热流密度φ上=Φ上/A上= 100/1 530 =0.065 W/cm2。

机箱下表面热量Φ下主要来自信号处理模块和电源模块的贴壁传导散热，Φ下= 65 + 30 = 95 W。下表面的热流密度φ下=Φ下/A下= 95/1 530 =0.062 W/cm2。

热流密度φ上和φ下的值已经大于温升40°C时自然冷却允许的最大热流密度0.04 W/cm2，小于强迫空气冷却允许的最大热流密度0.31 W/cm2[5]。因此，机箱上下表面需设计风道，通过强迫风冷进行散热。

整机内部体积热流密度为：

式中，Φ为总热耗。ψ大于自然冷却时的内部最大体积热流密度0.009 W/cm3，但小于金属传导最大体积热流密度0.12 W/cm3。因此，内部采用金属传导方式，同时选择高导热率的填充材料，导热系数为7 W/(m·K)，最大限度提升发热器件的散热效率。

2.3 强迫风冷散热设计

根据热平衡方程，强迫冷却所需风量[6]为：

式中：Qf为所需风量，m3/s；Φ为总热耗，W；Cp为空气比热，J/(kg·°C)；Δt为空气进出口的温差，°C；ρ为空气密度，kg/m3。

风道长度l= 416.7 mm，高度h= 5.4× 2 =10.8 mm。

风道截面积为：

当量直径为：

风道内空气流速为：

雷诺数：

Re ＞2 200，空气流动状态为紊流[5]。为便于计算，假设风道为完全光滑管道，其对应的沿程阻力系数f可以近似计算为：

通风机的总压力P用来克服通风管道的阻力，并在出口处形成一定的速度头，即：

式中，ζ为局部阻力系数，查文献[5]可得ζ=1.5。将上述参数代入式（8）可得风机的总压力P=31.95 Pa。

选择风机时，需要考虑的因素很多，如风量、风压、通风机效率、空气的速度、通风系统的阻力特性、环境条件、噪音、体积和重量等，其中最主要的是风量和风压。整机采用19英寸机柜标准机箱，机箱前面板可拆装，方便模块的安装检修，后面板需安装航插连接器、导销等结构件。综合考虑后选用风量大、风压低的轴流式风机。

强迫通风冷却时，气流的方向及通风机的位置等将影响冷却效果。轴流式鼓风系统的风机位于冷空气入口，将冷空气直接吹入散热风道，提高风道内空气压力，并产生一部分涡流，改善换热性能。但是，鼓风系统中风机自身的热量也被同时带入风道，影响散热效果。轴流式抽风系统从机箱风道内抽走热空气，因此会降低机箱内的空气压力，风机的热量不会进入散热风道内，还可以从整机其他缝隙中吸入一部分冷却空气，提高了冷却效果。

综合比较鼓风和抽风系统的优缺点，根据机箱结构尺寸，同时考虑机箱前面人员操作位的使用习惯，将风机放置于机箱后面板，选择从机箱前面板进风、后面板出风的方式。整机采用抽风系统对机箱上下侧壁进行散热冷却，风机自身的热量不会进入机箱内，无需参与计算。

根据前文的计算可知，风机所需的风量Qf=0.019 1 m/s，风压P= 31.95 Pa，同时基于内部热阻及冗余设计的考虑，按照2倍风量选择风机，整机所需总风量为0.038 2 m/s。选定2个轴流风机并联，风机的主要参数为电压12 V，风量0.024 8 m/s，风压65.762 Pa，满足散热设计要求。

3 热仿真分析

3.1 仿真建模

基于结构三维模型，运用Flotherm软件对整机进行建模。设定仿真环境温度为设备最高工作温度，即55°C，所有发热元器件按最大热耗进行设置，确保在最严格的条件下验证热设计方案的可行性。机箱与导冷板的材料按照实际的铝合金型号分别设定材料热参数，PCB为覆铜15%的FR4，发热元器件与散热冷板接触面间隙的填充材料的导热系数为7 W/(m·K)。简化对整机散热影响较小的螺丝孔、过小圆角等，便于网格划分。主要假设如下：

1）主要发热器件按照尺寸大小、在PCB中的实际位置和发热功率进行建模及热参数的设置，假设都为均匀热源；

2）忽略PCB上的不发热器件和面板连接器，降低模型的复杂度。

3.2 网格划分

划分网格时，对风扇进出风口进行网格膨胀，对PCB厚度方向、导热填充材料、散热冷板及机箱厚度方向的网格层数进行限制，对散热齿、翅片间隙、散热基板、发热元器件周边及厚度方向进行单独网格划分[7]。根据上述规则对建好的模型进行网格划分，网格总数为2 745 000，最大纵横比为28.7。简化后的热仿真模型及网格划分情况如图4所示。

图4 某舰载计算机热仿真模型及网格划分示意图

3.3 仿真结果分析

本次仿真模拟55°C的高温工作环境，采用稳态情况下的稳流模型进行求解运算，运行时开启辐射进行求解，经过运算后达到收敛状态，进入热平衡状态。整机和各模块的温度分布云图见图5和图6，上下风道的流速分布云图见图7。

图5 机箱外部温度分布云图

图6 部分模块温度分布云图

图7 上下风道的流速分布云图

通过上述温度、风速分布云图可知，整机满负荷运行时机箱表面温度梯度小，未出现局部温度过高现象，说明风道设计合理。

由上下风道的流速分布云图可知，机箱上表面左侧风速较大，温度梯度较小；相对而言右侧风速较小，温度梯度偏大，这与风机安装位置有关。风机主要作用于机箱左侧模块传递的热量，使发热量较大的计算模块和信号处理模块的热量能够快速散出。机箱右侧的风速较低，后续可对机箱右侧的散热风道进行优化，提高风速，降低温度梯度。

整机的主要热源分布情况如下：管理模块、电源模块及音频模块温度相对较低，主要发热部位集中于计算模块和信号处理模块，温度最高点位于信号处理模块上，最高温度达102°C。对主要发热器件的仿真结果进行统计，结果如表1所示。

表1 整机发热器件仿真结果统计表

由表1可知，在55°C环境温度下，主要发热器件的最高壳温均小于器件的设计允许最高壳温，其他发热器件的最高壳温远小于其结温要求，整机热设计满足高温环境下正常工作的要求。

4 试验验证

将整机放入环境试验箱中，外接显示器、鼠标、键盘和温度探测仪。分别在CPU、GPU、电源1、计算模块散热冷板和出风口设置热电偶用于测温。

测试时，首先将整机在55°C下保温2 h，然后运行压力测试软件使CPU处于100%满负荷状态。整机在最大功耗状态下工作2 h，系统未出现死机、关机、黑屏等异常现象，工作正常，整机通过了55°C高温热环境考核。选择整机稳定运行、系统达到热平衡状态后各监测点的稳定温度值作为最终温度：CPU为82.3°C，GPU为99.6°C，电源3为98.1°C，计算模块散热冷板为91.3°C，出风口为64.2°C。

5 结束语

本文针对某舰载机箱尺寸小、热耗大、热源集中的问题，运用传热学理论确定机箱整体的散热方式，计算出散热所需的风量和风压，确定对应的风机，运用Flotherm进行仿真分析，并与试验结果进行对比，缩短了产品的研制周期。

文中提供的计算选型、仿真建模、网格划分和试验测试方法具有通用性，可广泛应用于电子设备散热分析过程中。研究中暂未发现难以解释的问题，与其他关于密闭机箱的散热分析相比，本文提供的研制方法更具指导意义，可有效提升产品的热设计水平。后续将对同类产品的散热材料、散热齿高和齿距、机箱风道和风机位置进行研究，提升密闭机箱的散热能力。