高密度DCS机柜散热仿真分析与试验研究_李春鹤.pdf

高密度 机柜散热仿真分析与试验研究李春鹤，禹建勇，武文俊，赵志强，（南京科远智慧科技集团股份有限公司，江苏 南京 ；江苏省热工过程智能控制重点实验室，江苏 南京 ）摘要：针对高密度 机柜散热研究较少且分析复杂的现状，提出了基于 进行仿真分析的方法。通过瞬态散热仿真及试验研究，对比了不同模块配置、不同散热工况下的高密度机柜内部温度变化，配置出针对高密度机柜散热效果较好的方案，以满足温升要求及客户定制化需求。关键词：高密度；机柜结构；优化；热仿真中图分类号：，（，；，）：，：；收稿日期：作者简介：李春鹤（），从事电子设备设计与研发工作；禹建勇（），硕士，高级工程师，研究方向为机械装备结构及装备技术；武文俊（），硕士，从事机械装备设计与研发工作；赵志强（），从事嵌入式产品设计与研发工作。引言近年来，功率模块正向着高密度、大功率方向发展，电源设备模块化、集成化程度越来越高。为保证功率模块在相应的工作环境下长期、稳定地工作，热设计是必不可少的重要环节。机柜良好的散热能力，意味着机柜中的设备具有良好的运行环境。目前，电气机柜的散热方式大多采用传统的理论计算和行业经验进行设计。设计过程中难免会出现裕量过大或者不足的问题，系统设备的要求较高，而传统的试验方式又难以提前发现设计过程中的风险项，反复试验进行整改还会提高研发成本。大量研究者针对高密度密闭设备散热问题开展了多方面的研究。李玉宝对高功率密闭电源散热设计进行研究，提出利用矩形肋片的壳体扩展表面结构来加强散热的设计方法。陈伟等采用理论分析对高密度机柜散热通道进行优化研究，将传统的理论计算方法与最新的仿真计算方法结合，介绍了机柜的整套热设计方法。李文方等对高密度服务器中供电系统和散热系统整合设计的结构进行研究，提出优化刀片结构、背板结构和电源结构形成散热风道，减小电源和风扇在机箱中所占空间，缩小机箱尺寸，提高服务器系统可靠性。张瑞等采用 软件分析了散热基板与外部空气自然对流冷却下的热流密度值来研究不同厚度、不同材料的散热基板温度变化情况。综上所述，研究者已对机柜机箱散热问题进行了较多研究，但对集成化、高密度 机柜的散热研究较少。随着用户对产品集成化、高密度、高性能定制化 机柜的需求逐渐增多，电子产品散热性能要求越来越高，因此高密度 机柜的散热分析研究存在较大的研究价值和必要性。高密度 机柜内部电气器件布局差异、模块化配置不同，工况不同，对机柜热量分布会有很大的影响。本文针对高密度 机柜不同电气器件布局、不同模块化配置和不同工况进行仿真分析和试验研究，提出一种高密度 机柜散热分析的方式，配置散热效果最好的方案，保证温升达到设计要求，保证高密度 产品性能。仿真及试验 仿真分析高密度 机柜单元模型如图所示，其由机柜、电源、控制器、卡件、断路器、交换机等组成。机柜内部的热源主要集中在控制器、卡件、内部电气元件以及供电的电力设备电工技术电源模块；此外，机柜内部还有若干发热量可以忽略不计的断路器、终端模块以及控制线缆等装置。各零部件材料参数见表。图简化模型表材料参数表零件名称材料密度（）热导率（）比热（）断路器，卡件底座，卡件外壳，控制器底座，控制器外壳，分配板 汇线槽 电源导轨，卡件导轨 机柜门，机柜框架，电气安装板，转接板，交换 板 机柜内部的热源布置遵循从上到下，发热功耗依次降低的原则，发热量大而集中的热源能够快速将空气加热，使空气的温度升高，受热后的空气密度降低，热空气将会向柜顶流动，柜顶空气将会形成负压，柜底的冷空气将会向柜顶流动，从而形成一个自然对流的风道。密度较高 卡件顶部热量相对底部的卡件热量会高很多，卡件的外壳材料为塑料 ，较高的温度会使塑料外壳变形，影响电子器件寿命。由于电源模块的体积小、发热量大、数量多，因此将电源模块放置在机柜顶端。对于电源模块与机箱之间，发热量几乎可以忽略不计的断路器等设备，各零部件发热功率参数见表。表零部件发热功率参数表零件名称单个典型发热功率单个极限发热功率数量典型累积发热功率极限累积发热功电源 变送器电源 控制器 交换机 分配板 转接板 电流输出卡件 模拟量输入模件 总计 高密度机柜使用 进行散热分析。分析前，建立高密度机柜及内部器件的分析模型，环境温度为。散热形式包括自然对流散热、强制风冷散热（风扇）、强制风冷散热（风扇）三种散热形式。热源设置在发热的 板，发热功率包括极限功率和典型功率两种，根据分析工况设置相应的边界条件。根据建立的模型，进行网格划分，全部模型采用四面体网格，网格质量 优 秀，模 型 的 网 格 划 分 如 图 所 示，网 格 数 为 。图 机柜网格划分图 仿真结果不同散热工况仿真分析结果见表。自然风冷条件下，典型功率与极限功率控制器温升相差不大，其余部件典型功率温升明显低于极限功率；对比同等功耗自然风冷散热，机柜上部加装风扇强制对流散热的温升有所下降，但下降不是很明显，如图、图所示；机柜较高且内部元件安装较紧密，导致流道风阻较大，散热效果并不明显；机柜前后门下部风扇向内抽风，上部风扇向外排风，机柜内温度下降较为明显，如图、图所示，控制器温升为 ，比无风扇工况降低 ，温升降低最大值位于电源上，电源温升为，相比无风扇工况降低了 。综合各发热零部件的温升降低值，平均降低 。通过仿真分析可知，强制风冷加上机柜前后门下部风扇向内抽风、上部风扇向外排风能有效降低柜内发热器件的温升。表仿真温升结果零部件名称自然风冷极限功率典型功率强制风冷（极限功率）风扇 ，风扇 ，电源 控制器 背面卡件 正面卡件 图 极限功率风扇机柜正面温度云图图 极限功率风扇机柜背面温度云图电工技术电力设备 图极限功率风扇机柜正面温度云图图极限功率风扇机柜背面温度云图 试验验证高密度机柜温升试验平台包括控制器、交换机、转接板、电源分配板、卡件底座、块卡件、风扇、诊断系统、温控监控器等。高密度 机柜散热试验步骤如下。（）在现场 机柜上分别标出机柜、机柜、机柜。（）标记的机柜背面电源部分组装温度监控器。（）标记的机柜正面控制器通过网线连接计算机。（）运行计算机 诊断系统，运行温度监控器。（）启动标记机箱电源，运行 系统，进行加载试验。（）监控控制器温度变化及电源温度变化。（）记录控制器温度变化数据及电源表面温度变化数据。不同模块配置、不同散热工况温升测试的方法和步骤相同。现场 环境条件下，如图所示，机柜顶部配置风扇，底部安装百叶窗，三组机柜相同监控点的试验温度记录见表。图 机柜温度监测实物图表 监控点温度位置机柜控制器机柜控制器机柜控制器机柜电源机柜电源机柜电源温度值 仿真与试验结果对比分析机柜进行长期稳定性试验过程中，对机柜内部的关键位置进行了温度监测，实测温度值与仿真计算温度值的对比见表。环境温度 的条件下，正面控制器处和背面电源处的温升实测值比仿真计算值仅偏高 左右。考虑实际空气流通与分析条件有所差异，此分析的差异值在合理的误差范围内，仿真分析的结果基本可以模拟出实际的温升情况，具有较大的参考意义。表 仿真与实测温度对比位置仿真计算值环境 环境 环境 下的实测值正面控制器处 背面电源处 结语针对高密度 机柜内部不同模块配置、不同散热工况、不同热量分布进行了仿真分析，并根据分析结果得出不同模件配置、不同散热工况下更有利于高密度 机柜运行的散热方案，同时开展了同等条件下的温升试验，试验结果验证仿真与实际测试结果基本吻合。高密度 机柜前后门顶部风扇向外排风，底部风扇向内抽风，更利于机柜散热，机柜内部控制器、卡件温升降低明显，说明此高密度机柜散热方案有效。本文采用仿真分析的方式，根据不同的模块配置、不同工况环境设计出更合理的高密度 机柜散热方案，该设计方案在满足散热效果的前提下，能够缩短研发周期，降低研发成本及生产成本，具备一定经济价值，在日后的工作中推广使用。参考文献 李玉宝，李增荣 某高功率密度密闭电源的结构热设计电子机械工程，（）：陈伟，刘明星安全级 机柜散热设计方法研究仪器仪表用户，（）：黄格永受限空间电子元件自然对流散热特性研究重庆：重庆大学，李成阳 电动汽车集成功率控制单元热分析与散热研究哈尔滨：哈尔滨工业大学，魏元，李凯，丁楠，等理论分析与仿真分析辅助散热结构设计的研究 计测技术，（）：，李文方 高密度服务器散热结构优化设计研究 中国设备工程，（）：张瑞，王成，禹建勇，等 超小型执行器驱动单元散热仿真及实验研究 自动化应用，（）：电力设备电工技术