張?jiān)瞥ㄖ袊?guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所上海201108）

某船用電子機(jī)柜熱設(shè)計(jì)研究?

張?jiān)瞥?br/>（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所上海201108）

論文針對(duì)某船用電子設(shè)備的開(kāi)式機(jī)柜進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，建立了該機(jī)柜的三維模型和自然散熱情況下的熱路圖，并對(duì)該機(jī)柜的自然對(duì)流換熱、輻射換熱、傳導(dǎo)散熱和通風(fēng)孔散熱的功率進(jìn)行了計(jì)算分析。然后對(duì)該機(jī)柜強(qiáng)迫風(fēng)冷下的散熱進(jìn)行分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化了該機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)。

開(kāi)式機(jī)柜；自然散熱；強(qiáng)迫風(fēng)冷

Class Num ber TH12

1 引言

隨著溫度的升高，失效率迅速增加。一般元器件的環(huán)境溫度升高10℃，元器件的失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)［1］。

電子設(shè)備的熱環(huán)境通常包括：環(huán)境溫度和壓力的極限值；環(huán)境溫度和壓力的變化率；太陽(yáng)或周?chē)矬w的輻射熱；可利用的熱沉（又稱(chēng)熱地）；冷卻劑的種類(lèi)、溫度等參數(shù)。所謂熱沉，是指一個(gè)無(wú)限大的熱容器，它的溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化，它可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙，又稱(chēng)熱地［2］。

2 整機(jī)自然散熱分析

自然冷卻時(shí)，機(jī)箱散熱主要包括空氣自然對(duì)流換熱、輻射換熱、傳導(dǎo)散熱和通風(fēng)孔散熱。

某機(jī)柜外形尺寸為高度H為1.6m，寬度a為 0.6m，深度b為0.55m，熱功率750W（電功率3kW，熱效率按25%計(jì)算），以環(huán)境溫度30℃，機(jī)柜壁溫45℃設(shè)計(jì)環(huán)境下，設(shè)計(jì)自然冷卻環(huán)境下通風(fēng)孔的最小面積。

該電子機(jī)柜的三維模型如圖1所示，該機(jī)柜頂部設(shè)計(jì)有通風(fēng)孔，為開(kāi)式機(jī)柜，其熱路模型如圖2所示。

2.1 空氣自然對(duì)流換熱

通過(guò)機(jī)柜外壁所傳遞的熱量為

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)(W/(m2×°C))；A為散熱面積(m2)；D t為溫度差(°C)；k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m×°C))；D為是特征尺寸(m)；C，n為系數(shù)，取值如表1；Gr為葛拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；β為體積膨脹系數(shù)；v為運(yùn)動(dòng)粘度；μ為粘度；Cp為比熱。

表1 系數(shù)C，n取值表

側(cè)壁的對(duì)流換熱系數(shù)為

頂面的對(duì)流換熱系數(shù)為

底面的對(duì)流換熱系數(shù)為

機(jī)柜側(cè)面的表面積為

機(jī)柜底面和底面的表面積為

綜上，在自然對(duì)流換熱狀態(tài)下，機(jī)柜的對(duì)流換熱總熱量為

2.2 輻射換熱

根據(jù)基爾霍夫定律，實(shí)際物體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比為黑度（也叫黑率），黑度的大小取決于物體的材料、溫度及其表面狀態(tài)（如粗糙度、氧化程度和涂覆情況等），得到機(jī)柜的輻射熱量計(jì)算公式如式（3）

式中：ε為黑度；T為溫度（K）。

該機(jī)柜的總面積為

根據(jù)機(jī)柜的表面涂層，黑度為0.8，機(jī)柜的輻射散熱總熱量為

2.3 傳導(dǎo)散熱

機(jī)柜的熱量可以通過(guò)底部的8個(gè)M12不銹鋼螺釘傳導(dǎo)散熱，其傳熱量可以通過(guò)式（4）計(jì)算：

式中：δ為厚度(m)。

該機(jī)柜傳導(dǎo)散熱量為

2.4 通風(fēng)孔散熱

機(jī)柜通過(guò)自然對(duì)流散熱、輻射散熱、底部的傳導(dǎo)散熱三種方式總散熱為

式中：H為進(jìn)出風(fēng)口高度差(m)；A為通風(fēng)孔面積(m2)；D t為進(jìn)出風(fēng)口的溫差(°C)。

機(jī)柜頂部出風(fēng)口與底部進(jìn)風(fēng)口高度差為1.5m，進(jìn)出口空氣溫差10(°C)，通風(fēng)孔最小面積為

綜上，進(jìn)風(fēng)口最小面積應(yīng)大于0.09m2，頂部出風(fēng)口應(yīng)該比進(jìn)風(fēng)口略大一些。由理論計(jì)算可看出，自然散熱條件要求的通風(fēng)口面積略大，不利于進(jìn)行整體的防護(hù)設(shè)計(jì)，需要考慮進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)。

3 整機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)分析

設(shè)計(jì)在機(jī)柜頂部安裝風(fēng)機(jī)，通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式進(jìn)行散熱計(jì)算。根據(jù)熱平衡方程，可得到機(jī)柜所需的通風(fēng)量為

式中：ρ為空氣的密度；D t為冷卻空氣進(jìn)出口溫差(°C)。

D t的確定涉及一系列迭代計(jì)算，一般可取10°C左右。在精確計(jì)算時(shí)，要考慮到機(jī)柜四周對(duì)大氣的輻射和自然對(duì)流換熱所散去的熱量，再求所需風(fēng)量。

若不考慮機(jī)柜的輻射散熱和自然散熱的散熱量，所需風(fēng)量為

在選擇風(fēng)機(jī)時(shí)，還要考慮到風(fēng)機(jī)的效率，這是由于氣體流經(jīng)風(fēng)機(jī)的葉輪槽道、外殼時(shí)有阻力損失，以及機(jī)殼中氣體的泄露造成的。

4 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)所用W2E143-AA09-01型風(fēng)機(jī)，其功率26W，最大風(fēng)量0.11m3s，風(fēng)機(jī)效率為75%。通過(guò)24小時(shí)整機(jī)試驗(yàn)，整體散熱滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式，減少了通風(fēng)口面積，再風(fēng)機(jī)口安裝過(guò)濾網(wǎng)和防護(hù)網(wǎng)，成本相對(duì)較低，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

［1］邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2001.

［2］李逗，劉樹(shù)斌，楊春雨.長(zhǎng)壽命星載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證［J］.電子質(zhì)量，2014（8）：75-83.

［3］唐遠(yuǎn)明，張安娜，趙威.高密度機(jī)柜散熱策略分析與實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（5）：4043-4051.

［4］徐勇田，錢(qián)吉裕，沈雯華.某雷達(dá)發(fā)射機(jī)機(jī)柜熱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子機(jī)械工程，2010（6）：14-16.

［5］丁東旭，郭新，魏紀(jì)君等.循環(huán)風(fēng)冷卻系統(tǒng)在艦載密閉式電子機(jī)柜中的應(yīng)用與分析［J］.發(fā)電與空調(diào)，2010（6）：14-16.

［6］盧錫銘.電子設(shè)備熱仿真及熱測(cè)試技術(shù)研究［J］.艦船電子對(duì)抗，2013（6）：118-120.

［7］賁少愚.一種機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2015（7）：73-79.

［8］張萬(wàn)俊.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)在仿真軟件中的運(yùn)用［J］.艦船電子工程，2012（10）：146-148.

［9］樊波，李玲.大功率電磁加熱系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2016（2）：265-268.

［10］方益奇，孫玲玲.雷達(dá)電子機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)與仿真分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）：265-268.

Therm alResearch on M arine Electronic Equipm ent

ZHANG Yunchao
（No.726 Institute，CSIC，Shanghai 201108）

In this paper，the thermal design of a open cabinetofmarine electronic equipmemt is presented.The cabinet?s 3D modeland thermal diagram ismade，and the heatpower of the natural convection，radiation，conduction and ventilation from air-in?take are calculated.Then heatpower of the forced air cooling isalso calculated and tested，the thermal design isoptimized.

open cabinet，natural convection，forced air cooling

TH12

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.035

2016年11月7日，

2016年12月27日

張?jiān)瞥?，男，工程師，研究方向：船舶電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。