提高多板卡機箱散熱性能的方法研究

賈俊鋒 徐 超 張泊洋 李 彬

（北京計算機技術及應用研究所，北京 100080）

0 引言

傳統機箱散熱方法主要有以下幾種：自然冷卻法、強迫空氣冷卻法、直接液體冷卻法、熱管冷卻法等。其中自然冷卻法依靠設備自身與環境的對流、輻射、傳導來達到散熱目的，一般適用于低功耗設備；強迫空氣冷卻法一般分為單個元器件的強迫風冷、整機抽風冷卻、整機鼓風冷卻等三種基本形式；直接液體冷卻法一般適用于高密度大功率板卡，需要獨立密封熱交換部件及流體泵，有易損、維護成本高等缺點；熱管冷卻法一般與其他方法結合使用來提高熱傳導效率。符合VITA48等相關標準規范的VPX結構形式分為導冷結構及風冷結構。導冷結構主要特點是VPX板卡將熱量傳遞至機箱中，通過機箱表面散熱實現板卡熱沉；風冷結構主要特點是VPX板卡結構自身帶有散熱翅，通過機箱內部或板卡自身的風機與周圍環境冷空氣的對流實現熱交換，從而達到板卡的熱沉。

1 機箱設計構思

1.1 機箱初步設計

根據設備環境適應性要求，對機箱進行初步設計。設備環境溫度要求高溫工作溫度65 ℃。根據VPX板卡安裝特點及散熱特點，采用豎直安裝結構，VPX板卡為導冷板卡結構，板卡通過兩側的楔形緊固裝置固定至機箱導軌上，機箱散熱型式初步定為強迫風冷，后續根據仿真分析結果進行進一步的細化調整。VPX板卡外觀效果圖如圖1所示。

圖1 VPX板卡外形效果圖

VPX板卡楔形鎖緊裝置采用反裝形式安裝，楔形鎖緊裝置鎖緊時，VPX板卡上導冷面將貼緊機箱散熱板，從而使板卡中高熱芯片的熱量通過板卡上導冷面傳遞至機箱散熱板，形成完整的熱流傳遞鏈。VPX板卡上大量冷面設計成光面，可有效降低VPX板卡與機箱散熱板間的熱阻，必要時可涂抹導熱硅脂，提高熱導率。根據上述途徑設計整機散熱路徑如圖2所示。

圖2 整機熱傳導散熱路徑圖

發熱器件的熱量通過熱傳導從芯片傳導至VPX板卡殼體，再傳導至冷板散熱翅，風機吸入的自然環境中的冷空氣與散熱翅表面進行對流換熱，迅速將熱量傳遞至機箱外部，同時除了強迫空氣冷卻，整機產生的熱量還有一小部分通過熱輻射傳導至機箱外部環境中。

1.2 布局原則

機箱初步布局原則如下：

1）進風口、出風口布局：進風口與出風口設計時要盡量保持較大距離，且要保持較大溫差，同時出風口位置要高于進風口位置。

2）風機選擇：按照設備總功耗計算整機發熱量來確定風機風量。公式如下：

式中：Qf為整機所需風量；Φ為總損耗功率；ρ為空氣密度；Cp為空氣的比熱；Δt為冷卻空氣出口與進口溫差。

3）板卡排布：根據各板卡功率布局板卡位置，將大功率板卡與低功率板卡進行穿插布局，減少局部散熱量聚集情況。

4）導冷設計：考慮到自然對流可有效降低機箱整體熱量，在機箱兩側設計散熱翅，以有效增加機箱散熱面積，同時散熱翅排布為上下結構，以滿足自然氣流受熱時由下往上的對流需求。

5）機箱尺寸：在無定制要求的前提下，機箱盡量采用布局空間較大的結構尺寸，以滿足大功率板卡的空間布局及風道設計需求。

1.3 三維模型建立

1.3.1 風道設計

通過上述布局原則，散熱方式初步定為強迫空氣冷卻法中的整機抽風冷卻，其中進風口設置在機箱前面板下側，出風口設置在機箱后面板上側。風機運轉時，將冷空氣由機箱底部進風口抽入，冷風通過各冷板散熱器將VPX板卡傳導至冷板的熱量帶走，最終通過風機將熱空氣排到機箱外部，實現整機熱沉。整機散熱風道如圖3所示。

圖3 整機風道布局圖

1.3.2 風機選擇

根據式（1）計算得知，整機所需風流量為0.04m3/s≈84.8 CFM，按照計算所得風流量選擇風機型號為HD8038U12，以滿足整機大流量高風壓需求，風機風流量為119.6 CFM，風壓為40.8 mm H2O，具體參數如圖4所示。

圖4 風機風壓曲線圖

為確保散熱系統的穩定性，在某一風機出現故障時能保證設備正常運行，機箱采用冗余風機設計，冗余風機為并聯安裝模式，可有效增加機箱內部風流量，提高散熱效率。

1.3.3 模型建立

機箱采用標準4U 19寸上架機箱，VPX板卡為3U板卡，機箱板卡插槽數量為12塊，其中3U板卡包含4HP和5HP兩種高度，機箱布局圖如圖5所示。機箱左右兩側板設有散熱筋，可以增加整機的散熱面積，通過自然對流進一步提高散熱效率。

圖5 機箱初步布局圖（上蓋隱藏）

在機箱尺寸及散熱方式確定后，為保證整機散熱效果，關鍵在于減小整個熱傳導路徑上的熱阻。采取的主要措施如下：

1）功能模塊設計有散熱冷板，將有散熱需求的芯片通過導熱墊緊貼于板卡散熱冷板；

2）模塊冷板與導軌之間采用鎖緊條鎖緊，通過鎖緊器的張緊力使冷板與箱體散熱板緊密貼合，減小冷板與箱體散熱板間的熱阻；

3）高功耗模塊置于夾層風道下方，冷板與夾層風道基板直接接觸，以縮短傳熱路徑，提高散熱效率；

4）發熱器件合理布局，避免熱量集中，減小熱流密度，同時靠近冷板散熱面以縮短傳熱路徑，提高散熱效率；

5）降低傳導路徑的傳遞熱阻，即選用導熱性能好的材料，如冷板和機箱采用高導熱系數鋁合金Al6063，主處理器和冷板之間采用高效相變導熱墊以降低傳導熱阻。

在設計過程中，采取以上措施后，通過熱設計仿真分析，檢查散熱設計是否達到預期目的，并根據仿真結果進一步優化散熱設計。

2 有限元分析

2.1 簡化模型

采用專業電子產品熱分析軟件，對設備進行65 ℃穩態熱設計分析。依據設備結構模型、板卡器件布局等參數建立熱分析模型；運用有限元法在指定的溫度環境下計算其溫度場響應和分布。簡化模型如圖6所示，整機功耗分布如表1所示。

圖6 簡化模型（優化前）

2.2 邊界條件設置

1）機箱外界環境溫度65 ℃；

2）散熱金屬板材料：鋁合金，其熱導系數為205 W/（m·℃）；

3）PCB材料：FR-4與Pure Copper；

4）交換方式：傳導、對流、輻射。

2.3 求解結果

通過計算流體動力學（CFD）求解工具，計算在給定環境條件下，設備各部件的溫度場響應及分布[1]。溫度場分布、粒子跡線分布及風速場分布結果如圖7～9所示。

圖7 各VPX板卡溫度分布云圖（優化前）

2.4 結果分析

經計算求解，設備最高溫度為93.9 ℃，溫升為28.9 ℃。對求解結果進行分析：

1）由圖7溫度分布云圖可知，各類板卡溫度分布較為均勻，溫差較小，排布較為合理；

2）由圖8、圖9可知，機箱內部存在較多紊流，熱氣流存在內部循環現象，導致部分熱量無法及時排出；

圖8 粒子跡線分布圖（優化前）

圖9 風速場分布圖（優化前）

3）由圖8粒子分布云圖可知，進風口粒子分布較為發散，進風口風壓較大，通風不暢；

4）由圖8粒子分布云圖可知，各VPX板卡間粒子分布較為稀少且不均勻，無法將板卡熱量排出；

5）由圖9風速場分布圖可知，機箱內最大風速為7.6 m/s；

6）最高溫度已接近選用芯片的最高工作溫度，因此需要對機箱布局及散熱形式重新進行優化。

3 結構優化

3.1 優化方案

根據2.4節分析結果提出如下解決措施：

1）各類VPX板卡分布較為合理，不再進行位置調整；

2）為防止紊流發生，減少空氣流動阻力損失及熱流量的內部循環，機箱內部增加導流板，減少機箱內部風道存在的直角轉角，合理引導熱流順利排出；

3）在空間布局允許的條件下，適當增加進風口尺寸，并提高開孔率來提升通風效果，有效降低進風口風阻；

4）因進風口風壓較高、風阻較大，因此在進風口增加風機，實現風機串聯，增大風流量，同時可有效消除各模塊間冷風分布不均的情況；

5）調整散熱冷板散熱翅間隙，在保證足夠的散熱面積的同時擴大散熱翅的間隙，以達到增加風流量的目的。

按照上述優化方案，對風道及相應布局進行優化調整，增加了底部風機、導流板等，底部風機根據進風口風壓進行選擇，所選風機風壓需大于進風口風壓，風機型號為HD8010H12，風機風量為21CFM，風壓為3.2 mm H2O。優化后的風道布局如圖10所示。

圖10 優化后的整機風道布局圖

機箱依舊采用抽風形式，底部風機和機箱尾部風機采用串聯形式安裝，可有效增加機箱內部風壓，解決部分熱空氣積壓紊流問題。風機運轉時，冷空氣由進風口進入，將散熱板間的熱量帶出，通過導流板由機箱尾部風機排出。導流板的設計優化了風道，有效減少了風道內的紊流情況，可使熱量盡快排出到機箱外部。

3.2 模型修改

根據優化方案對熱仿真簡化模型進行重新布局，簡圖如圖11所示。

圖11 機箱簡圖（優化后）

設置邊界條件后求解，設備溫度場分布、粒子跡線分布及風速場分布結果如圖12～14所示。

圖12 各VPX板卡溫度分布云圖（優化后）

3.3 結果分析

優化后，對模型進行熱分析，設備溫度為89.2 ℃，溫升為24.2 ℃，與優化前進行比較，最高溫度下降4.7 ℃，散熱效果得到較大提升。

1）由圖12溫度分布云圖可知，各板卡溫度分布較為均勻，高熱板卡數量明顯減少；

2）由圖13粒子跡線分布圖可知，機箱中設置導流板后，有效減少了機箱內部直角轉角處紊流的發生；

圖13 粒子跡線分布圖（優化后）

3）由圖13粒子跡線分布圖可知，機箱底部進風口擴大并增加風機后，進風口粒子分布密度明顯增加，紊流情況得到較大改善；

4）由圖13粒子跡線分布圖可知，將冷板散熱翅間隙增加后，VPX板卡間的粒子密度明顯增加，各板卡間冷風的分布較為均勻，有效改善了風道內的對流環境；

5）由圖14風速場分布圖可知，機箱內最大風速為10.5 m/s，較優化前7.6 m/s整體提高了38.1%，有效提升了整機的散熱效率。

圖14 風速場分布圖（優化后）

經對優化后的方案進行分析可知，整機溫升較優化前降低17%，最高溫度較優化前降低5%，同時紊流情況得到較大改善，散熱設計達到預期及優化效果。根據分析結果重新細化三維工程圖紙，細化后的三維模型如圖15所示。

圖15 設備三維模型剖視圖

4 設備溫度試驗

4.1 溫度試驗內容及所用設備

溫度試驗主要涉及設備外部環境溫度、設備內部板卡關鍵部位溫度，所用設備主要包括溫箱、溫度傳感器、溫度測試儀等[2]。

4.2 試驗方法

將設備放置在溫箱中，設備各板卡表面粘貼溫度傳感器，將溫箱溫度（環境溫度）設置為65 ℃，在設備各板卡滿功率運行時測試各板卡溫度。試驗原理圖如圖16所示，溫箱溫度控制圖如圖17所示。

圖16 試驗原理圖

圖17 溫箱溫度控制圖

4.3 試驗結果

待溫度傳感器溫度顯示穩定后讀取各板卡溫度，建議在單個板卡上安裝多個傳感器，取溫度平均值。各板卡溫度值如表2所示。

表2 各板卡實測溫度

用試驗方式得到板卡最高溫度為板卡4及板卡8，溫度為86.6 ℃，與分析溫度基本接近，因此可驗證有限元分析結果的準確性。

5 結論

針對4U VPX板卡機箱散熱設計及結構優化的過程進行分析總結，得出如下結論：

1）要合理布局各大功率板卡，將功率較大的板卡與功率低的板卡交叉布局。

2）應根據設備功率選擇合適的風機，通過串聯或并聯風機的形式提高機箱整體的散熱性能。

3）設計機箱獨立風道，減少風道內的直角設計，可減少氣流紊流現象，改善風道內的通風效果。

4）進風口及出風口設計要有利于風道的通風效果，兩者之間的間距要大，防止氣流短路。同時確保進風口低于出風口高度，有利于熱量的排出。

5）散熱翅間距要設置合理，在加工工藝水平及加工成本允許的條件下，應盡量減小散熱翅厚度，在保證散熱面積的同時，提高散熱翅間的風流量。

通過上述措施優化機箱結構設計，可有效提高其散熱性能。