模块化电子设备机箱散热结构设计与仿真论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：机箱往往是作为承载着高热流密度电子设备的载体，电子设备的模块化与集成化程度越高，对机箱散热的要求也随之增加。通常情况下，机箱的冷却主要通过其散热结构进行热量内外的交换，因此散热结构的热设计对于机箱整体或局部的温升控制极为重要，这有利于提高器件或电子设备的可靠性与可维修性。对特定的模块化电子设备机箱散热结构进行热设计仿真，详细讲述了基于热仿真分析软件ANSYS Icepak的机箱热分析模型的建立和计算过程，同时通过具体的矩形截面翅片式散热结构和几字型流道液冷式冷板散热结构热分析模型，研究了包括热源状况、翅片参数、流道参数等变量对散热结构的冷却效果的影响，并根据机箱内部以及机箱散热结构的温度分布梯度给出了设计建议。

　　关键词：矩形截面翅片；几字型流道液冷式冷板；电子设备机箱；热分析模型

　　Design and Simulation of Heat Dissipation Structure of Modular Electronic Equipment Chassis

　　Nan Ruiting

　　（Guangzhou Institute of Transportation Technicians,Guangzhou 510300,China）

　　Abstract:Cases are often used as a carrier carrying high thermal flow density electronic devices,the higher degree of modularization and integration of electronic equipment,the more requirements for case cooling.Typically,the cooling of the case is mainly through its heatdissipating structure for heat-to-heat exchange,so the thermal design of the heat-dissipating structure is extremely important for the overall or local temperature rising control of the case,which is conducive to improve the reliability and maintainability of the device or electronic equipment.The thermal design simulation of the heat-dissipating structure of the specific modular electronic equipment case were introduced,and the establishment and calculation process of the case thermal analysis model based on the thermal simulation analysis software ANSYS Icepak was described in detail.The effect of variables including heat source condition,fin parameters and runner parameters on the cooling

　　effect of the cooling structure were studied by the specific rectangular cross-section fin heat-dissipating structure and the thermal analysis model of fluid cold plates with S shaped runner.Meanwhile,according to the temperature distribution gradient of the case interior and case heat-dissipating structure,design recommendations were given.

　　Key words:rectangular section fin;fluid cold plates with S shaped runner;electronic equipment chassis;thermal analysis model

　　0引言

　　在电子设备中，温度过高是导致器件失效的主要形式之一。但是目前随着电子技术的发展和应用，高度集成的电子元器件性能越来越好，处理器性能、存储器需求和功耗在不断提高，热流密度急剧上升，而器件每上升10℃，失效率增大一倍且呈指数增长，导致元器件及设备的可靠性下降[1]。表1所示为几种常见元器件失效率分别在不同的高温和室温25℃时对应的量级[2]。因此，对承载大量热功率元器件的机箱散热结构热设计分析能够有效控制器件温升，防止器件发生热击穿及电参数异常等问题，并将设备可靠性稳定在较好的范围内[3]。

  

　　如今电子设备应用场景的多元化需求不断提高，对承载电子设备的机箱等装置也要求更加集成化和模块化。模块化的机箱设备具有较高的设计效率以及较低的设计成本，极大地满足了目前电子设备生产周期日益缩短的趋势，同时也能保证其可维修性较高。但是，高度集成的元器件产生的热量无法轻易发散，这也使模块化电子设备机箱散热结构的热设计面临更严峻的挑战。

　　本文主要针对图1所示的模块化电子设备机箱散热结构进行热设计仿真，以期改善散热装置设计的薄弱环节，优化其散热性能，从而满足现代电子设备集成化、模块化的发展要求，保证电子设备的工作性能和可靠性。图中机箱的组成主要为机箱盖板和壳体。机箱壳体作为承载电子设备的直接容器，机箱盖板作为机箱重要的散热结构。

  

　　针对具体的机箱实体，结合其工作环境的特殊性，本文采用自然对流作为机箱的散热方式，并结合其在自然空气对流与强迫液体冷却的两种散热方式下的热设计仿真，对散热结构作详细的参数分析，研究过程中主要完成的目的及成果：（1）对模块化电子设备机箱进行测量，建立三维的热分析模型，同时将其参数化，并设置合适的边界条件；（2）基于现代热设计方法，使用CFD相关热仿真分析软件ANSYS Icepak，针对特定工作环境下的模块化电子设备机箱的散热结构，其中主要针对机箱盖板的参数化模型开展热仿真，探究相同外界环境下其散热结构对机箱温升的影响。

　　1模块化电子设备机箱散热结构热分析模型建立

　　1.1自然对流条件下散热结构的热分析模型

　　1.1.1矩形截面翅片式散热结构模型导入

　　使用ANSYS Workbench通过Geometry，首先将机箱三维模型导入并切割修复为多个简单立体几何图形，再建立DesignModeler（DM）单元，将切割修复后的机箱模型加载进去，开始简化操作：

　　（1）设置机箱外部壳体简化类型为Level 2 polygonfit，长度公差设置为20%，该值表示的是弧线长度的临界值[4]，即当弧线长度小于最大弧长的20%时，小尺寸弧线可被简化，弧线上设置点数为3；

　　（2）设置机箱主体为Enclosure；

　　（3）将机箱散热结构设置为CAD类型，并建立工作树；

　　（4）通过Show Ice Bodies确认模型简化完成如图2所示；

　　（5）链接Icepak，在Workbench中把完成转化的热分析模型导入Icepak。

  

　　1.1.2物性参数输入及边界条件设定

　　根据模型对象创建热源，使用对齐匹配命令完成设置后，选定所有机箱散热结构的热分析模型，对所有机箱材料进行参数化设置，由于考虑辐射影响，打开Radi⁃ation开关，如图3所示。设置环境温度为22℃，流态为Terbulent，考虑到理论上热流会沿着重力方向的反向流动，计算域在该方向上（仿真中为Z轴正方向）扩大一倍边界[5]，以便更好地观察热流分布，其中机箱底部边界设置为Default，即绝热，如图4所示。

  

　　1.1.3设立温度监测点

　　整个仿真实验过程以机箱中心为坐标系原点，重力方向为Z轴，翅片截面长度方向为X轴，翅片间距方向为Y轴，建立11个温度监测点，监测点1～5为机箱内部测温点，监测点6为机箱散热结构正上方测温点，监测点7~11为机箱散热结构测温点，在Icepak坐标系中，单位为m，坐标分别是：P1（-0.165,0.031 4,0.347）、P2（-0.050 2,0.0314,0.347）、P3（0.052 8,0.031 4,0.347）、P4（-0.051 8,0.115,0.347）、P5（-0.051 8,-0.088 6,0.347）、P6（-0.047 5,0.031 4,0.428）、P7（-0.038 9,0.115,0.38）、P8（-0.178,0.014,0.38）、P9（-0.038 9,0.014,0.38）、P10（0.094 6,0.014,0.38）、P11（-0.038 9,-0.091 5,0.38），如图5～6所示。

  

　　1.1.4网格划分及求解设置

　　根据散热结构热分析模型类型，由于散热结构翅片的复杂参数特征，包含了异性的CAD模型，所以选择六面体占优网格（Mesher-HD），该类型网格包含四面体、六面体及多面体网格[6]，如图7所示。迭代次数设置为100，可求解热分析模型的计算残差和热源温度监测曲线如图8～9所示。

  
 

　　1.2强迫液冷条件下散热结构的热分析模型

　　1.2.1“几”字型流道液冷式冷板散热结构模型导入

　　使用ANSYS Workbench通过Geometry，首先将机箱三维模型导入并切割修复为多个简单立体几何图形，同时选中流道进行体积抽取建立流体单元，之后建立DesignModeler（DM）单元，将切割修复后的机箱模型加载进去，开始简化操作如下。

　　（1）设置机箱外部壳体简化类型为Bounding box。

　　（2）设置机箱主体为Enclosure。

　　（3）定义流道出入口为Opening。

　　（4）将机箱散热结构设置为level 2 polygon fit，长度公差设置为20%，弧线上设置点数为3。因为冷却液通常在流道内进行工作，而当流道模型不规则时，我们需要对其进行简化和修复处理，以便减小网格的复杂划分程度，若存在倒角，为了精确模拟出流道进出口的压力差，由于压降会影响工作液流速的变化从而影响整个散热效果，所以需要保存其倒角[7]。

　　（5）通过Show Ice Bodies确认模型简化完成如图10所示。

  

　　（6）链接Icepak，在Workbench中把完成转化的热分析模型导入Icepak。

　　1.2.2物性参数输入及边界条件设定

　　根据模型对象创建热源，使用对齐匹配命令完成设置后，选定所有机箱散热结构的热分析模型，对所有机箱材料进行参数化设置，由于忽略辐射影响，关闭Radi⁃ation开关及重力开关，如图11所示。设置环境温度为22℃，流态为Terbulent，流道内冷却液为水，物性参数如图12所示。为了防止冷却液与外界环境之间的热交换影响仿真精度，靠近流道出入口处边界增加一个空心的过渡边界[8]（hollow block）

  

　　1.2.3设立温度监测点

　　整个仿真实验过程以机箱中心为坐标系原点，重力方向为Z轴，流道截面长度方向为X轴，垂直流道截面的方向为Y轴，建立11个温度监测点，监测点1～5为机箱内部测温点，监测点6为机箱散热结构正上方测温点，监测点7～11为机箱散热结构测温点，在Icepak坐标系中，单位为m，坐标分别是：P1（-0.165,0.031 4,0.347）、P2（-0.050 2,0.031 4,0.347）、P3（0.052 8,0.031 4,0.347）、P4（-0.051 8,0.115,0.347）、P5（-0.051 8,-0.0886,0.347）、P6（-0.047 5,0.031 4,0.428）、P7（-0.050 4,0.103,0.38）、P8（-0.181,0.019 4,0.38）、P9（-0.046,0.019,0.38）、P10（0.089 3,0.017 6,0.38）、P11（-0.044 3,-0.078 5,0.38），如图13～14所示。

 

　　1.2.4网格划分及求解设置

　　根据散热结构热分析模型的类型，由于散热结构中流道倒角的参数特征，需要对其进行单独的网格细化处理，所以选择非结构化网格（Hexa unstructured）并勾选Object params，该类型网格全部为六面体网格且网格之间不垂直相交，如图15所示。迭代次数设置为100，可求解热分析模型的计算残差和热源温度监测测曲线如图16～17所示。

 
  

　　2模块化电子设备机箱热分析模型的仿真计算

　　2.1不同热源位置及数目下自然对流的机箱热分析模型仿真

　　通过适当调整热源的位置和数量，对环境温度为22℃时不同情况下的温度场分布进行探究，其中机箱散热结构为默认的下沉矩形截面翅片，下沉高度h=1.0 mm，翅片数n=33，翅片间距d=3.2 mm，翅片截面长度s=300 mm，设计如下仿真实验。

　　实验1：3个恒功率热源，功率均为8 W，分布在机箱中间；

　　实验2：两个恒功率热源，功率均为8 W，分布在机箱中间；

　　实验3：两个恒功率热源，功率均为8 W，分布在机箱一角。

　　记录仿真实验数据如表2，取监测点1～5的平均温度为作为机箱内平均温度，监测点7～11的平均温度作为机箱散热结构的平均温度[9]，得到曲线如图18所示，结合散热结构的温度分布云图19可以看出，热源数量越多，其机箱温度越高，散热效果越差；热源位置对机箱散热情况也有显著影响，离热源越近的空间温度越高，其中当热源分布在机箱一角的整体散热效果比热源分布机箱中间时略好，但热量较为集中。

  

　　2.2不同盖板翅片参数下自然对流的机箱热分析模型仿真

　　针对自然对流空气冷却进行研究，定量讨论矩形截面翅片的换热情况，针对散热翅片进行具体的参数化处理，以翅片高度h，截面长度s，翅片间距d以及翅片数量n为变量[10]，如图2所示。工作条件为两个恒功率热源，功率均为8 W，分布在机箱中间，环境温度为22℃。

  

　　2.2.1翅片高度对散热的影响

　　以翅片高度作为变量，机箱盖翅片数n=33，翅片间距d=3.2 mm，翅片截面长度s=300 mm，设计如下仿真实验：

　　实验1：翅片距离盖板外侧平面高度h=5 mm；

　　实验2：翅片距离盖板外侧平面高度h=10 mm；

　　实验3：翅片距离盖板外侧平面高度h=15 mm；

　　实验4：翅片距离盖板外侧平面高度h=20 mm。

　　记录仿真实验数据如表3~4，取监测点1～5的平均温度为作为机箱内平均温度，监测点7～11的平均温度作为机箱散热结构的平均温度，得到曲线如图20，结合散热结构的温度分布云图（图21）可以看出随着翅片高度增加，机箱整体温升下降，盖板整体温度分布基本相同，中心区域温度更低，四周温度较高。在一定范围内，随着翅片高度增加，其散热效率将会呈逐渐放缓的增大趋势。翅片高度越增长，其散热效果提升得越缓慢，因此实际情况考虑机箱整体重量和成本时，翅片高度不宜过高，在本组实验中翅片高度在10～15 mm时性价比最好[11]。

  
  
  

　　2.2.2翅片密度对散热的影响

　　以翅片密度作为变量，翅片截面长度s=300 mm，翅片距离盖板外侧平面高度h=10 mm，设计如下仿真实验：

　　实验5：机箱盖翅片数n=17，翅片间距d=10.2 mm；

　　实验6：机箱盖翅片数n=9，翅片间距d=24.2 mm。

　　记录仿真实验数据如表5～6，取监测点1～5的平均温度为作为机箱内平均温度，监测点7～11的平均温度作为机箱散热结构的平均温度，得到曲线图22，结合散热结构的温度分布云图（图23）看出随着翅片密度减少，机箱整体温升先减少后增加，各盖板温度分布基本相同，中心温度较低，热量主要集中在盖板四周。随着翅片密度减小，散热效果先提升后降低。推测这是由于翅片密度过大时，阻碍空气对流导致翅片间空气以传导的方式进行导热，从而降低了散热效率；当翅片密度过小时，对流换热面积不足，从而导致散热效率降低。因此根据本次实验，结合实际情况，翅片间距在3.2～10.2 mm，翅片数目在17～33之间最为合适[12]。

  
  

　　2.2.3翅片截面长度对散热的影响

　　以翅片截面长度作为变量，机箱盖翅片数n=33，翅片间距d=3.2 mm，翅片距离盖板外侧平面高度h=10 mm，

　　设计如下仿真实验：

　　实验7：翅片截面长度s=200 mm；

　　实验8：翅片截面长度s=100 mm。

　　记录仿真实验数据至表7～8，取监测点1～5的平均温度为作为机箱内平均温度，监测点7～11的平均温度作为机箱散热结构的平均温度，得到曲线图24和散热结构的温度分布云图（图25），随着翅片截面长度减小，机箱整体温升增加，散热效率下降，各盖板中心温度较低，热量主要集中在盖板四周，翅片截面长度越小，中心低温区域越小。随着翅片截面长度减少，其对流换热面积减少，机箱温升增大，散热效率显著较低[13]。

  
  
  

　　3结束语

　　从以上热设计仿真实验可以看出：模块化电子设备机箱散热效率与热源数量成正比，且靠近机箱内壁或机箱散热结构时的散热效果更好以及翅片高度在10～15 mm之间，翅片间距在3.210.2 mm，翅片数目在17～33之间的性价比最为合适。

　　通过将矩形截面翅片式散热结构和几字型流道液冷式冷板散热结构的热设计仿真对比，发现强迫液冷的散热效果明显好于自然空气冷却，且几字型流道的换热面积以及冷却液流速与机箱散热效率成正比。

  

　　在对温升要求越来越高的电子设备机箱中，散热结构的热设计仿真能够缩短其设计周期[14]，极大地提高其可靠性。围绕本文中研究的模块化电子设备机箱散热结构，可以从以下方面对本文工作开展进一步的探究：

　　（1）针对矩形翅片式散热结构，可以结合不同形状尺寸或材料特性的散热结构来更全面地评估其在自然对流条件下的传热性能；

　　（2）可结合数值传热学和遗传算法对散热结构建立优化函数，对特定的散热结构进行数值仿真和参数优化；

　　（3）在仿真数据和实验数据误差不大的前提下，结合模块化电子器件的具体布置，对整个机箱开展详细的热设计仿真和实验，评估机箱内部的温升状况和散热结构的散热能力[15]。

　　参考文献：

　　[1]于慈远,于湘珍,杨为民.电子设备热分析/热设计/热测试技术初步研究[J].微电子学,2000(5):334-337.

　　[2]Kraus A D,Bar-Cohen A.Thermal Analysis and Control of Elec⁃tronic Equipment[M].1983.

　　[3]谢远成,欧中红.电子设备散热技术的发展[J].舰船电子工程,2019,39(8):14-18.

　　[4]王永康.ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].北京:工业出版社,2015.

　　[5]徐婷婷,吴玉庭,马重芳.不同环境中翅片散热器性能的仿真研究[J].电子器件,2009,32(4):850-854.

　　[6]Hajmohammadi M R,Toghraei I.Optimal design and thermal per⁃formance improvement of a double-layered microchannel heatsink by introducing Al2O3 nano-particles into the water[J].Physi⁃ca A:Statistical Mechanics and its Applications,2018:328-344.

　　[7]王彦海,张世伟,徐岩峰.Icepak仿真软件在水冷底板热设计中的应用[J].电子机械工程,2008(1):7-29.

　　[8]王杰,王茜.热管科学及吸液芯研究进展回顾与展望[J].化工进展,2015,34(4):891-902.

　　[9]王伟涛,陶汉中,徐益.圆翅片叉排热管散热器流动和传热特性数值分析[J].低温与超导,2012,40(7):80-84.

　　[10]俞新江.热仿真在电子设备结构设计中的应用研究[J].电子测试,2019(8):49-50.

　　[11]王栋.基于傅里叶定律对热传导的分析[J].科学技术创新,2019(13):45-46.

　　[12]周海峰,邱颖霞,鞠金山,等.电子设备液冷技术研究进展[J].电子机械工程,2016,32(4):7-10.

　　[13]李昊,丁晓红,景大雷.液冷通道分布优化设计的仿真和试验研究[J].机械工程学报,2019,55(10):198-206.

　　[14]Jain R.机箱散热问题及对策[J].电子产品世界,2005(6):89-94.

　　[15]卢锡铭.电子设备热仿真及热测试技术研究[J].舰船电子对抗,2013,36(3):118-120.

关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/ligonglunwen/57989.html