來源：機電工程技術
摘要：針對某封閉電子機柜處于強振動環境下機柜內電子設備的散熱問題，提出一種適用性較好的電子機柜熱結構構架，該構架優化了機柜底層熱與結構耦合設計要素，改良了當前封閉電子機柜強振動環境下的散熱提優技術，經過往常傳統設計問題研析，提取此類熱設計改型形態，規避了原有技術方式存在的熱沉裕度、體量過大及熱效率偏低等缺點，集成調控各方位特性，滿足工程熱設計優化，同時應用工程熱仿真手段比對分析，驗證此機柜熱性能的可靠度和可達性，利用熱分析工程軟件flotherm，貼近真實工況建立該型電子機柜三維計算模型，就機柜外側的強振動環境干涉和內側高熱耗多熱密點兩個維度深入分析了機柜內歧型電子器、激發啟動器及測恣回路等器件殼緣溫度，為往后其他類似工況電子散熱設計提供結構相關工程借鑒。
關鍵詞：電子機柜；強振動；高熱耗；多熱點
0 引言
目前，某電子機柜是工業級電子設備領域中的常備基礎單元，其中內部集中了許多的電子任務元件，如歧型電子器、激發啟動器、測試回路、配套供電組件、控保盒等。隨著這些電子元件的任務功能拓展增強，單體熱耗加大，單面積包絡內的熱流密度也會增大。另外，電子機柜結構集成度提高，體積縮減，重量減輕，加之環境工況更為惡劣。綜合上述因素，終將導致電子元件溫升過大局部過熱，電子機柜工作任務隨之失效。本工程研制中所涉及的封閉電子機柜將是上面闡述現況中的某型產品實例，此電子機柜多數工作在相對惡劣的環境中，使用周期內太陽輻射較強，現關鍵難以處理的是一個強振動工況，此工況下設備結構構架及底端元件不能長時段抗拒強烈振動頻譜帶來的破壞。而且，此機柜長時間處于高擾動的振動環境，基于此工況，必須采用柜體這一強金屬掩體，使柜體內部微弱的設備元器件與外界擾動工況隔離，較大幅度地提升機柜環境適應性。現在所能采用的結構構架體系只可單純對某些元件作預緊固強化，無法有效整裝防固及集中一體化設計，況且如此傳熱能力及路徑趨弱變窄，依照設備全部加固策略須把單機直立于穩定平臺，壓縮邊界干涉層次，這樣的解決方法肯定會給其熱源冷卻附加更多的傳導障礙。基于上述，繼續按照往常強迫風冷設計方式無法高效向外排熱，進一步改善加固防備，本文應用機柜構架集成風冷對流散熱/外部導熱的兩極式散熱形態，在熱計算平臺上進行改進迭代，按序導向有益的相關熱研制路徑，使整個構架能找尋到相對設計規律，并為今后工作狀態散熱問題解決給定思路
1 基本構架
該封閉電子機柜主要元件是由歧型電子器、激發啟動器、測試回路、配套供電組件、控保盒等組成，上位設備由接配電池供給電，經過起始激勵器產出電信息，再參照分配規則劃分到若干個擴展設備中，逐步拓大后分層鏈接到聚合插件上轉化合成，如圖1所示。控保盒置于柜體上側，限于控管，熱耗極小，耗散可忽略，自然散熱即可；激發啟動器裝貼于控保盒下方，電子合成器與激發啟動器尺寸相差3U，通常狀態激發電子2.36ｋＷ·ｈ所產生的熱量為568.8Ｗ，電子合成器相距1Ｕ處布置有歧型電子器，其是整機電子設備的核心熱源件，單件歧型電子器效率在57.8％時單個熱耗散近287.6Ｗ，裝配風機且經過左右主動風冷（配空調器）；測試回路置于歧型電子器右側，其是作為整體機柜的牽引元件，熱效應可弱化，其他信號同軸件和饋管電均無法計入熱耗數值。
2 機柜熱設計
考慮到該封閉電子機柜工作處于強振動環境，整體周邊應盡量避免高頻率振動侵擊設備內電子器件，比照構架冗余增層傳熱路徑穩度，縮短封閉范疇，該類設計要素核心是防止在多層強振動頻譜下設備結構構架失穩，進而導致傳熱鏈路斷裂或虛脫直至器件過熱失效，加強構架力度亦為集中結構穩度而豐富關聯裕度。以上思路即置于支配強振動封閉工況的設計元素，然而如此便成了設備機柜的散熱解決策略上的障礙，嚴重減小了各發熱組件／插件底層導熱包絡，縮短了上下進出端的均溫吸熱容度。該結構構架設計規劃下保持結構穩度，加強導熱鏈路管理更為合理。基礎內因為：如不利用一體化加固導熱鏈路，則須在各插件板卡上單獨疏通導熱結構路徑，眾多傳熱路徑會發生相對干涉交叉，致使部分插件及元件過度導冷，而另一部分無法滿足散熱需求，更不可能顧及到各元器件均溫性。如此缺乏兼顧全局設計的散熱方式定會使設備機柜工作效率低，熱可達性差。所以這類基于強振動環境的電子機柜散熱設計需全面考量以往結構構架弊端，集中加固容易受強振動干涉的歧型電子器中間嵌入厚強PCB板，把質量較大的激發啟動器和測恣回路布置在機柜底側，疊加外拓散熱翅面向風側生長，為抗拒內應力盡量增大加長導軌傳熱面積，不阻礙電子合成器熱量經微薄層結－殼熱阻高效傳輸至機柜外空間，進而可達設備散熱要求。
3 機柜熱仿真及工況
隨著現代工程熱物理及其工程軟件平臺的更新升級，這類數值軟件可以更真實地擬合客觀熱物理特性，且規劃出三維數值分析模型，經內核計算公式匹配不同工況或邊界基數，進而剖析出近似實際工程場所的設備機柜（元器件）熱性能特性。表１所示為該電子機柜的實測工況輸入。
本文研究的封閉電子機柜因整體包含的電子元器件布置大致呈矩形、構架傳熱鏈路明晰等特點，適宜應用熱工程軟件flotherm，主體仿真內模塊（即drawing board）可細致設置到設備底層的疊式拓展板卡，機柜內獨立插箱3Ｄ數值單元，如以異型開發和局部網格細化為基點展開結構強固，未免煩雜于處理眾多楔形結構及類圓角，為此則適應性簡化為：針對電子機柜圍體的很多平直橫梁上微型插件孔、穿墻細纜、長方柱腳、倒圓角等盡量填平處理；由于設備內歧型電子器、電子合成器、激發啟動器常態布置處于機柜內部，一般不會受到外輻射擾動；由于內在各層機柜－插件－元器件單元以及電鏈路／微帶板之間可理解于串并聯關系，也沒暫存的拓撲關系，所以其間熱輻射相干涉可不考量；針對該次輪熱仿真結果不牽涉到其個件熱況浮動，創建基礎模型時須弱化邊緣包絡，變型是角形或方形；此外，如更細致結構處理需單獨加載局部小區域熱流密度，應表現為微體量小范疇元件導入，長厚略有一致，規整熱阻薄層生長厚度。封閉電子機柜的熱模型如圖2所示。
4 機柜熱分析
圖3所示為分類設備機柜底層風速流線圖及其壓場圖，從該類型風速場區中本文可清楚地發現多數風量由機柜后前端散熱翅旁邊掠過，上層密小顆粒風體由插件（歧型電子器）中間功率片側邊傳熱通過，此圖右下方設立一處泄漏風流口，而此節點即為該設備電子散熱設計的特性要素，強振動工況下風力瞬態流阻加大，從而致使內部壓力逐漸增加其余風量達到旁通效應；在窄風道壓力損失變大時多層圓孔散熱翅片導通循環擾動段，確保設備內部壓力在同一頻段冗余內浮動。
圖4所示為封閉設備機柜的溫度場分布云圖，因為這些插件卡槽在設備中數量僅3件，取中間較為惡劣的板卡展示，該圖中過熱區域多位于電子合成器、激發啟動器、控制箱、配電裝置等上側，內置冷風流道從機柜底層抽風至頂端，從而體現出左上方器件溫度顯著高于右下方器件，這一現象在此封閉機柜末端工況相對多見，貼近激發啟動器的接收模塊因歧型電子器發熱模塊自身的熱冗余比逼近4.31，于是可得出相較中心區域位置的釋放熱量且再現超溫的現象。基于內層機理此熱設計相似原理，但是本文對于封閉設備機柜插件板卡內部局部域塊的溫升幾乎不超6.3℃，不然這一需求給當地環境溫降暫時不可成為導熱鏈路節點，最終允許指標范疇內存在少許裕度。
如圖5所示，該機柜為功率加到最大負荷且調節頻率中檔時熱仿真云圖，能夠在此仿真圖中尋找到環溫逼近76.4℃，全局設備浸沒于一個強振動環境中，通過機柜背貼一體式空調器對機柜內側各型插件吹風，使冷空氣大通量掠過終端散熱翅從而循環帶離機柜。順著機柜插件導熱通道冷風沿邊流動，移植在插片式PCB板間隙的擾流翅組件，可二次采用底塊功率器件熱量穿透到機柜外，進而完全把設備器件溫度調制在80℃冗余以下。另外，圖中聚集熱量塊域臨近高熱單相區，散熱翅外殼體在強振動下已顯現出穩定性，從下至上溫降逐漸顯著，其他區間空隙溫差比較平滑，一般情況，左側仿真溫度場要比右側溫度場平均高一個幅度。因此可說明，大氣環境中濕度越大，隨后能由強振動造成局部熱點接觸不良而溫升加速，在強振動較為低頻時，則會內置空調器風壓曲線少許會向機柜Z方向波動，然后造成了設備機柜內部風壓場不穩定的現象，這即是后繼溫度熱場顯現溫區斷層的機理。然而比較可信的是，中間波幅也不會相較震蕩，不將超出功率片底層冗余溫度邊界也歸于承受溫升范圍。
5 結束語
本文關注強振動工況下封閉電子機柜的系統多層聚集熱點的散熱問題，進行熱分析設計。基于細化熱仿真數值計算，從優化效能層次結合強振動的維度深度剖析設備機柜低側的多數發熱元器件的結構包絡及熱性能形態，以拓展振動平臺置于的背部冷風擾流形式，然而此類內外熱接口特性應需在更寬松的內嵌柜體上實施導熱固化及傳輸，達到機柜后方或其邊隔間隙集中填進導軌和熱沉凸臺，再利用夾角區叉排布置各型歧型電子器、激發啟動器、配電裝置及測恣回路等器件。由分析結果得出，設備機柜通風上下兩側劃分出高低不均勻溫場區，終端本體對于測試回路、電子合成器和激發啟動器取用大范圍熱點，僅涉及少許下沉風道，進一步融合消除了省電平臺性能與元器件熱點的不均衡差異。相比往常傳統強抗振動熱設計方式存在較為脆弱的多熱點關節，本次加配兼裝規避繁雜且質量減少，繼而經過熱設計改裝設計，降低了設備器件溫度，可較好滿足指定指標下元器件熱需求。此類設計可為同類強振動環境電子機柜散熱設計提供借鑒。
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