来源：机电工程技术
摘要：针对某封闭电子机柜处于强振动环境下机柜内电子设备的散热问题，提出一种适用性较好的电子机柜热结构构架，该构架优化了机柜底层热与结构耦合设计要素，改良了当前封闭电子机柜强振动环境下的散热提优技术，经过往常传统设计问题研析，提取此类热设计改型形态，规避了原有技术方式存在的热沉裕度、体量过大及热效率偏低等缺点，集成调控各方位特性，满足工程热设计优化，同时应用工程热仿真手段比对分析，验证此机柜热性能的可靠度和可达性，利用热分析工程软件flotherm，贴近真实工况建立该型电子机柜三维计算模型，就机柜外侧的强振动环境干涉和内侧高热耗多热密点两个维度深入分析了机柜内歧型电子器、激发启动器及测恣回路等器件壳缘温度，为往后其他类似工况电子散热设计提供结构相关工程借鉴。
关键词：电子机柜；强振动；高热耗；多热点
0 引言
目前，某电子机柜是工业级电子设备领域中的常备基础单元，其中内部集中了许多的电子任务元件，如歧型电子器、激发启动器、测试回路、配套供电组件、控保盒等。随着这些电子元件的任务功能拓展增强，单体热耗加大，单面积包络内的热流密度也会增大。另外，电子机柜结构集成度提高，体积缩减，重量减轻，加之环境工况更为恶劣。综合上述因素，终将导致电子元件温升过大局部过热，电子机柜工作任务随之失效。本工程研制中所涉及的封闭电子机柜将是上面阐述现况中的某型产品实例，此电子机柜多数工作在相对恶劣的环境中，使用周期内太阳辐射较强，现关键难以处理的是一个强振动工况，此工况下设备结构构架及底端元件不能长时段抗拒强烈振动频谱带来的破坏。而且，此机柜长时间处于高扰动的振动环境，基于此工况，必须采用柜体这一强金属掩体，使柜体内部微弱的设备元器件与外界扰动工况隔离，较大幅度地提升机柜环境适应性。现在所能采用的结构构架体系只可单纯对某些元件作预紧固强化，无法有效整装防固及集中一体化设计，况且如此传热能力及路径趋弱变窄，依照设备全部加固策略须把单机直立于稳定平台，压缩边界干涉层次，这样的解决方法肯定会给其热源冷却附加更多的传导障碍。基于上述，继续按照往常强迫风冷设计方式无法高效向外排热，进一步改善加固防备，本文应用机柜构架集成风冷对流散热/外部导热的两极式散热形态，在热计算平台上进行改进迭代，按序导向有益的相关热研制路径，使整个构架能找寻到相对设计规律，并为今后工作状态散热问题解决给定思路
1 基本构架
该封闭电子机柜主要元件是由歧型电子器、激发启动器、测试回路、配套供电组件、控保盒等组成，上位设备由接配电池供给电，经过起始激励器产出电信息，再参照分配规则划分到若干个扩展设备中，逐步拓大后分层链接到聚合插件上转化合成，如图1所示。控保盒置于柜体上侧，限于控管，热耗极小，耗散可忽略，自然散热即可；激发启动器装贴于控保盒下方，电子合成器与激发启动器尺寸相差3U，通常状态激发电子2.36ｋＷ·ｈ所产生的热量为568.8Ｗ，电子合成器相距1Ｕ处布置有歧型电子器，其是整机电子设备的核心热源件，单件歧型电子器效率在57.8％时单个热耗散近287.6Ｗ，装配风机且经过左右主动风冷（配空调器）；测试回路置于歧型电子器右侧，其是作为整体机柜的牵引元件，热效应可弱化，其他信号同轴件和馈管电均无法计入热耗数值。
2 机柜热设计
考虑到该封闭电子机柜工作处于强振动环境，整体周边应尽量避免高频率振动侵击设备内电子器件，比照构架冗余增层传热路径稳度，缩短封闭范畴，该类设计要素核心是防止在多层强振动频谱下设备结构构架失稳，进而导致传热链路断裂或虚脱直至器件过热失效，加强构架力度亦为集中结构稳度而丰富关联裕度。以上思路即置于支配强振动封闭工况的设计元素，然而如此便成了设备机柜的散热解决策略上的障碍，严重减小了各发热组件／插件底层导热包络，缩短了上下进出端的均温吸热容度。该结构构架设计规划下保持结构稳度，加强导热链路管理更为合理。基础内因为：如不利用一体化加固导热链路，则须在各插件板卡上单独疏通导热结构路径，众多传热路径会发生相对干涉交叉，致使部分插件及元件过度导冷，而另一部分无法满足散热需求，更不可能顾及到各元器件均温性。如此缺乏兼顾全局设计的散热方式定会使设备机柜工作效率低，热可达性差。所以这类基于强振动环境的电子机柜散热设计需全面考量以往结构构架弊端，集中加固容易受强振动干涉的歧型电子器中间嵌入厚强PCB板，把质量较大的激发启动器和测恣回路布置在机柜底侧，叠加外拓散热翅面向风侧生长，为抗拒内应力尽量增大加长导轨传热面积，不阻碍电子合成器热量经微薄层结－壳热阻高效传输至机柜外空间，进而可达设备散热要求。
3 机柜热仿真及工况
随着现代工程热物理及其工程软件平台的更新升级，这类数值软件可以更真实地拟合客观热物理特性，且规划出三维数值分析模型，经内核计算公式匹配不同工况或边界基数，进而剖析出近似实际工程场所的设备机柜（元器件）热性能特性。表１所示为该电子机柜的实测工况输入。
本文研究的封闭电子机柜因整体包含的电子元器件布置大致呈矩形、构架传热链路明晰等特点，适宜应用热工程软件flotherm，主体仿真内模块（即drawing board）可细致设置到设备底层的叠式拓展板卡，机柜内独立插箱3Ｄ数值单元，如以异型开发和局部网格细化为基点展开结构强固，未免烦杂于处理众多楔形结构及类圆角，为此则适应性简化为：针对电子机柜围体的很多平直横梁上微型插件孔、穿墙细缆、长方柱脚、倒圆角等尽量填平处理；由于设备内歧型电子器、电子合成器、激发启动器常态布置处于机柜内部，一般不会受到外辐射扰动；由于内在各层机柜－插件－元器件单元以及电链路／微带板之间可理解于串并联关系，也没暂存的拓扑关系，所以其间热辐射相干涉可不考量；针对该次轮热仿真结果不牵涉到其个件热况浮动，创建基础模型时须弱化边缘包络，变型是角形或方形；此外，如更细致结构处理需单独加载局部小区域热流密度，应表现为微体量小范畴元件导入，长厚略有一致，规整热阻薄层生长厚度。封闭电子机柜的热模型如图2所示。
4 机柜热分析
图3所示为分类设备机柜底层风速流线图及其压场图，从该类型风速场区中本文可清楚地发现多数风量由机柜后前端散热翅旁边掠过，上层密小颗粒风体由插件（歧型电子器）中间功率片侧边传热通过，此图右下方设立一处泄漏风流口，而此节点即为该设备电子散热设计的特性要素，强振动工况下风力瞬态流阻加大，从而致使内部压力逐渐增加其余风量达到旁通效应；在窄风道压力损失变大时多层圆孔散热翅片导通循环扰动段，确保设备内部压力在同一频段冗余内浮动。
图4所示为封闭设备机柜的温度场分布云图，因为这些插件卡槽在设备中数量仅3件，取中间较为恶劣的板卡展示，该图中过热区域多位于电子合成器、激发启动器、控制箱、配电装置等上侧，内置冷风流道从机柜底层抽风至顶端，从而体现出左上方器件温度显著高于右下方器件，这一现象在此封闭机柜末端工况相对多见，贴近激发启动器的接收模块因歧型电子器发热模块自身的热冗余比逼近4.31，于是可得出相较中心区域位置的释放热量且再现超温的现象。基于内层机理此热设计相似原理，但是本文对于封闭设备机柜插件板卡内部局部域块的温升几乎不超6.3℃，不然这一需求给当地环境温降暂时不可成为导热链路节点，最终允许指标范畴内存在少许裕度。
如图5所示，该机柜为功率加到最大负荷且调节频率中档时热仿真云图，能够在此仿真图中寻找到环温逼近76.4℃，全局设备浸没于一个强振动环境中，通过机柜背贴一体式空调器对机柜内侧各型插件吹风，使冷空气大通量掠过终端散热翅从而循环带离机柜。顺着机柜插件导热通道冷风沿边流动，移植在插片式PCB板间隙的扰流翅组件，可二次采用底块功率器件热量穿透到机柜外，进而完全把设备器件温度调制在80℃冗余以下。另外，图中聚集热量块域临近高热单相区，散热翅外壳体在强振动下已显现出稳定性，从下至上温降逐渐显著，其他区间空隙温差比较平滑，一般情况，左侧仿真温度场要比右侧温度场平均高一个幅度。因此可说明，大气环境中湿度越大，随后能由强振动造成局部热点接触不良而温升加速，在强振动较为低频时，则会内置空调器风压曲线少许会向机柜Z方向波动，然后造成了设备机柜内部风压场不稳定的现象，这即是后继温度热场显现温区断层的机理。然而比较可信的是，中间波幅也不会相较震荡，不将超出功率片底层冗余温度边界也归于承受温升范围。
5 结束语
本文关注强振动工况下封闭电子机柜的系统多层聚集热点的散热问题，进行热分析设计。基于细化热仿真数值计算，从优化效能层次结合强振动的维度深度剖析设备机柜低侧的多数发热元器件的结构包络及热性能形态，以拓展振动平台置于的背部冷风扰流形式，然而此类内外热接口特性应需在更宽松的内嵌柜体上实施导热固化及传输，达到机柜后方或其边隔间隙集中填进导轨和热沉凸台，再利用夹角区叉排布置各型歧型电子器、激发启动器、配电装置及测恣回路等器件。由分析结果得出，设备机柜通风上下两侧划分出高低不均匀温场区，终端本体对于测试回路、电子合成器和激发启动器取用大范围热点，仅涉及少许下沉风道，进一步融合消除了省电平台性能与元器件热点的不均衡差异。相比往常传统强抗振动热设计方式存在较为脆弱的多热点关节，本次加配兼装规避繁杂且质量减少，继而经过热设计改装设计，降低了设备器件温度，可较好满足指定指标下元器件热需求。此类设计可为同类强振动环境电子机柜散热设计提供借鉴。
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