CN117440669B - 一种多通道固态开关的散热结构及散热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多通道固态开关的散热结构及散热方法，包括机柜、插箱、风箱、功率板卡。功率板卡上安装有散热片，板卡通过导轨装置安装在插箱中，插箱通过安装梁成列安装在机柜中，风箱布置在插箱上面或下面，风箱内装有风扇、导流片、温度控制器，提高固态开关的散热能力，降低直流固态开关的成本，使直流开关控制器满足高热流密度下的散热需求。
Description
技术领域
本发明属于固态开关产品散热设计领域，具体为一种多通道固态开关的散热结构及散热方法。
背景技术
固态开关产品在航空领域已经得到广泛应用，但是在民用领域，固态开关还属于新生产品，即使在国际市场上，也属于只有少数企业掌握的尖端领域。随着电压和电流等级的不断增大，固态开关的功率密度越来越大，对电子机箱散热效率提出了越来越高的要求，根据有关资料显示，电子产品产生故障的主要原因有温度、振动、潮湿、灰尘等，而其中温度是影响电子产品可靠性的关键因素。所以为了提升固态开关的工作寿命和产品可靠性就必须严格有效地控制产品的工作温度，使机箱内部元器件在允许的极限温度范围内工作。在产品设计过程 中，设计人员需要将结构和热设计结合起来统一考虑，通过优化结构布局来协助热设计，通 过热设计反过来支撑结构尺寸，有利于提高整个系统的集成度和可靠性。
与传统的航空固态开关不同，民用固态开关的电流等级更大、成本要求更低，且由于板卡可插拔的要求，流道设计空间小，固有的航空固态开关散热结构不满足设计需求。考虑使用板卡、插箱、机柜的形式作为固态开关的载体，但传统机柜散热结构为上下进风或循环进风、进风量小、风阻小，不满足固态开关插箱串联风阻大的散热要求。
发明内容
本发明的目的在于，在满足板卡可插拔的前提下，设计一种多通道固态开关的散热结构及散热方法，通过仿真软件分析板卡热分布，调整导流板位置及角度，使得冷气流定量分配，解决了机柜垂直流阻大、功率密度高的问题，提高了产品可靠性。
本发明的技术方案：
第一方面，本发明提供一种多通道固态开关的散热结构，包括：机柜、插箱；
机柜顶部和底部有散热格栅，机柜内部安装有多个插箱，且位于机柜中部以上的每个插箱下部安装有对应风箱，位于机柜中部以下的每个插箱上部安装有对应风箱。
进一步的，每个插箱内设置有多个垂直并排安装的功率板卡；
每个插箱安装带有通气格栅的上下盖板，多个功率板卡上安装有散热齿垂直布置的散热片。
进一步的，风箱的前面板布置有吹风风扇，内部布置有两片位置和角度可变的导流板，风箱的上板为斜面，将吹到斜面上的垂直热气流导为水平气流吹出机柜。
进一步的，所述两片位置和角度可变的导流板的位置和角度设置方法为：
（1）确定优化目标为降低功率板卡的最高温升；
（2）确定变量为导流板一的角度、位置和导流板二的角度、位置；
（3）进行DOE实验设计和仿真；
（4）进行响应面优化。
进一步的，所述散热片为铝制散热片，且在铝制散热片与功率板卡接触面设置导热绝缘垫。
第二方面，本发明还提供一种多通道固态开关的散热方法，所述方法基于第一方面所述的散热结构实现，所述方法包括：
吹风风扇产生横向气流，横向气流通过两个导流板转为垂直气流；
垂直气流通过插箱的散热格栅流向功率板卡；
垂直气流流过功率板卡上的散热片，带走散热片上的热量，并通过散热格栅流出插箱；
垂直气流流出机柜。
进一步的，垂直气流流出机柜，具体为：
对于机柜最上部和最下部的插箱，垂直气流通过机柜顶部和底部的散热格栅流出机柜；
对于除机柜最上部和最下部的插箱之外的插箱，垂直气流通过风箱上的斜板转换为横向气流，流出机柜。
进一步的，所述两个导流板的位置和角度设置方法为：
（1）确定优化目标为降低功率板卡的最高温升；
（2）确定变量为导流板一的角度、位置和导流板二的角度、位置；
（3）进行DOE实验设计和仿真；
（4）进行响应面优化。
本发明的多通道固态开关散热结构，能够提高固态开关的散热能力，降低固态开关的成本，使直流开关控制器满足高热流密度下的散热需求。
附图说明
图1为一种多通道固态开关的散热结构的气流路径示意图；
图2为一种多通道固态开关的散热结构中机柜散热结构组成示意图；
图3为一种多通道固态开关的散热结构中插箱散热结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的连接结构进行详细说明。
本发明主要针对当固态开关以机柜插箱为载体且满足可插拔功能时，插箱前面与后面散热通道封闭，只能垂直散热风道的情况，设计了一种散热结构，冷空气可以从前面板流入，垂直流过散热片充分换热后从上、下、后面板流出，增大了流量、降低了风阻，有效控制了功率模块温升。
本发明实施例提供一种多通道固态开关的散热结构，如图2所示，包括机柜1、插箱2、风箱3。插箱包括上盖板、导轨、功率板卡、下盖板，功率板卡包括散热片、PCB板，如图3所示，风箱包括外壳31、导流板一 32、导流板二 33、风扇34。
所述风箱通过将横向气流转换为垂直方向可定量分配的气流，所述机柜整体形成从前到后、从上下到后的散热风道，所述插箱中形成流过散热齿垂直方向的散热风道。其中风箱中安装有水平方向的散热风扇和两个导流板，插箱安装有通气格栅的上下盖板，功率板卡安装有散热齿垂直布置的散热片。
机柜顶部和底部有散热格栅、机柜内部安装有插箱和对应风箱。
靠近底部的风箱插箱对风箱出口风的方向朝下。
靠近顶部的风箱插箱对风箱出口风的方向朝上。
插箱上下盖板带有通气格栅。
插箱内部通过导轨垂直并排安装有功率板卡。
插箱内部通过导轨垂直并排安装有功率板卡。
功率板卡安装有铝制散热片、铝制散热片散热齿垂直布置。
风箱的内部安装有角度可变、位置可变、数量可变的导流板、根据仿真情况最优布置，用于冷气流的转向和定量分配。
功率板卡背面安装有铝制散热片，铝制散热片与板卡接触面垫导热绝缘垫，通过压紧力减小热传导路径热阻。
机柜为插箱、风箱的载体，机柜采用标准19寸机柜，机柜上安装有安装架，用于插箱的安装，机柜的上下盖均存在散热格栅。插箱通过安装架布置在机柜中。插箱内安装有可插拔、垂直布置的功率板卡，功率板卡上安装有散热片，散热片的散热齿垂直布置，以使得垂直方向的气流与散热片充分换热。风箱通过螺钉安装在插箱上面或下面，具体情况为，位于机柜上半部的插箱，风箱安装在插箱下面，位于机柜下半部的插箱，风箱安装在插箱上面。风箱的前面板布置有四台吹风风扇，内部布置有两片位置和角度可变的导流板，可对冷气流进行定量分配，通过仿真分析，优化导流板布局，做到产品温升最低。风箱的上板为斜面，可将前一插箱中吹出的垂直热气流导为水平气流吹出机柜。整个产品的气流路径如图1所示。
对吹到散热片的流量进行分区定量分配，具体实施方法为：（1）确定优化目标为降低功率板卡最高温升。（2）确定变量为导流板1的角度、位置和导流板2的角度、位置。（3）进行DOE实验设计和仿真。（4）响应面优化。最后做到最优布置风箱导流板，低成本高效散热。
本发明提供的一种多通道固态开关的散热结构及散热方法，包括机柜、插箱、风箱、功率板卡。功率板卡上安装有散热片，板卡通过导轨装置安装在插箱中，插箱通过安装梁成列安装在机柜中，风箱布置在插箱上面或下面，风箱内装有风扇、导流片、温度控制器。针对插拔式板卡前后无散热通道的问题，发明了的本多通道固态开关散热结构，本发明技术方案能够提高固态开关的散热能力，降低直流固态开关的成本，使直流开关控制器满足高热流密度下的散热需求。
Claims (2)
1.一种多通道固态开关的散热结构，其特征在于，针对当固态开关以机柜插箱为载体且满足可插拔功能时，插箱前面与后面散热通道封闭，只能垂直散热风道的情况，所述散热结构包括：机柜、插箱；
机柜顶部和底部有散热格栅，机柜内部安装有多个插箱，且位于机柜中部以上的每个插箱下部安装有对应风箱，位于机柜中部以下的每个插箱上部安装有对应风箱；
每个插箱内设置有多个垂直并排安装的功率板卡；每个插箱安装带有通气格栅的上下盖板，多个功率板卡上安装有散热齿垂直布置的散热片；
风箱的前面板布置有吹风风扇，内部布置有两片位置和角度可变的导流板，风箱的上板为斜面，将吹到斜面上的垂直热气流导为水平气流吹出机柜；所述两片位置和角度可变的导流板的位置和角度设置方法为：(1)确定优化目标为降低功率板卡的最高温升；(2)确定变量为导流板一的角度、位置和导流板二的角度、位置；(3)进行DOE实验设计和仿真；(4)进行响应面优化；
所述散热结构的散热方法包括：
吹风风扇产生横向气流，横向气流通过两个导流板转为垂直气流；
垂直气流通过插箱的散热格栅流向功率板卡；
垂直气流流过功率板卡上的散热片，带走散热片上的热量，并通过散热格栅流出插箱；
垂直气流流出机柜，具体为：对于机柜最上部和最下部的插箱，垂直气流通过机柜顶部和底部的散热格栅流出机柜；对于除机柜最上部和最下部的插箱之外的插箱，垂直气流通过风箱上的斜板转换为横向气流，流出机柜。
2.根据权利要求1所述的一种多通道固态开关的散热结构，其特征在于，所述散热片为铝制散热片，且在铝制散热片与功率板卡接触面设置导热绝缘垫。
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