户外电子设备的散热处理技术

目前有许多远程通信设备处于恶劣的外部环境下,它们遭受太阳的热辐射和设备本身发热的影响,消除这两种热源的影响对电子设备的可靠工作至关重要,本文着重介绍了机箱设计、散热计算、主动散热和被动散热等技术。

温度和湿度是电信电子设备失效的两个主要原因。电子系统本身可能并没有包含对抗恶劣环境条件的设计,为了满足在户内和户外环境下保护电子设备的需要,业界在处理散热问题方面投入了大量的时间和精力。户外电子设备的散热处理已经成为了一个极为重要的问题。

事实上,只需要消除受尺寸限制和面对太阳方向的光辐射所导致的电子设备的内部发热问题,就能够解决户外电子设备的散热问题。

电信设备的发热管理必须针对设备所处的环境条件作出选择。设备通常分为室内设备和室外设备。室内设备包括安装在中央机房(CO)或客户端的交换设备(针对不同应用的电路板卡)、服务器、路由器、调制解调器以及电池等等,视系统的最终用途而定。室外设备包括平常在中央机房中所能见到的全部设备,不过它们安装在环境受控的建筑物之内。

除了确保设备处于最佳温度和湿度条件之外,电信工程师还必须在电源中断或散热装置失效的短暂时间内,确保设备维持适当的发热状况,直到散热装置恢复工作。因此,在设计适当的散热处理系统时,设计人员必须考虑正常状态(稳态)和紧急状态(瞬态)可能遇到的散热问题。

本文提出的指导原则适用于中央机房和客户端设备以及户外站点设备。除了一般的交换和处理设备之外,用于在电源中断期间提供电源备份的电池设备也非常重要。电池设备也需要进行发热处理,还要放在有适当通风条件的屋子里。

室内机架

下面介绍一个典型的系统,在这个系统中,ISDN、HDSL板卡(可能包含光纤元件)安装在通常应遵循网络设备构建系统标准(NEBS)的机架内。一般的散热处理措施都是针对单个装配好全部元件的、满功率的ISDN/HDSL板卡以及装满ISDN/HDSL板卡的机架的发热来设计。

首先需要对机架进行特别考察,以确定它是否符合NEBS标准。图1是一个用于这种系统的典型机架。散热管理分析和设计工作应该包括板级和系统级的考虑,散热流应该沿着从板卡(单一垂直板卡或调制解调器、路由器等分立设备内的板卡)到最终散热渠道(周围的空气或空调出口)的最小阻力路径排放。

对于ISDN卡或HDSL卡这样的独立板卡,目标是确定板卡的发热是否在设计参数范围之内,并找出降低板卡温度的方法。计算流体动力学(CFD)仿真可用来确保使板卡在机架上不出现局部高温问题。因此,需要经常进行测试,以获得系统在正常或满功率工作时的典型温度。这样,就可验证CFD仿真并确保系统将工作在相对较低的温度。板卡热分析之后,通常要对这些板卡的槽或机架进行系统级热分析。

上述系统通常用于中央机房的配置中,此时必须满足NEBS的要求。设备的典型入口温度为50℃,机箱内的空气温度不得超过85℃(这是元件制造商规定的)。除了发热条件之外,设备制造商还必须满足实验室的要求,以及其它国际管理组织和机构关于尺寸限制方面的规定。

户外机箱

户外机箱通常用来安放各种设备,根据尺寸和类型的不同,这些设备的热耗从500W到10KW不等,当机箱安装在不同的环境条件下,应根据需要安装空调或空气-空气热交换器。

设计人员的目标是使机箱内的峰值温度保持在一个确定的水平之下,这一水平通常是由电子设备制造商设定的。湿度水平同样也需予以关注,但是由于大部分机箱是密闭的,而且温度比设备外环境空气的温度高很多,因此湿度通常并不成为一个问题(在打开和关闭机箱的瞬时影响被消除之后)。

设计人员应该认识到,机箱内的空气温度将是电子和散热设备所产生热量的函数。影响机箱的其它环境条件还包括:温度、太阳辐射、风速、机箱周围的物体(遮蔽、地表反射、建筑物和树木)、机箱设计(表面面积、外形、油漆)以及空气渗透。

图2是一个典型户外机箱,通常电池后备单元放置在机箱的独立隔间内。电池隔间必须通风,以消除有害的气味。机箱的设计必须确保电池温度均匀分布,电池必须尽可能处于25℃。电池不是主动散热的,不过现在也有一些机箱制造商开始为电池安装主动散热系统。

负荷计算

现在以一个典型的机箱进行散热管理系统的设计。第一步:待求解温度是热平衡实现时机箱内的空气温度,用下式来表示:

Q_balance=0=Q_equipment+Q_{solar_load}+Q_{cooling_system}

这里Q_equipment为电子设备的热损耗,Q_{solar_load}是太阳热辐射产生的热量,Q_{cooling-system}为散热系统消除的热量。太阳热辐射比较复杂,它包括了各种模式或热传递所产生的影响,由下式表示:

Q_{solar_load}=Q_radiated+Q_convected+

Q_conducted

通常,Q_radiated的值总为正(朝向机箱),但是其它两项既可为正,也可为负,取决于机箱的温度。因此,如果Q_balance不为0,则机箱内的温度可能高于或低于设定的温度,通过对流和传导,机箱有可能失去或获得热量。

完全主动散热技术

一旦需要消除的发热功率计算出来之后,散热系统就必须与户外机箱相匹配。例如,如果机箱空气温度必须保持在最大环境(外部)温度以下,首选的方法就是安装空调装置。一般情况下,散热能力并不包括将空气冷却下来的能力,因为计算是针对稳态工作进行的。

这种系统不包括让所设计的系统从55℃或更高的初始温度冷却下来的能力。空调器的出口空气温度通常为15℃左右或更低,以达到散热需求。

与全被动散热系统相似,一旦需要消除的热量计算出来之后,散热系统必须与户外机箱相匹配。例如,如果机箱温度保持在最大环境温度之上,而负荷也不是太大,就可以采用空气-空气热交换器。热交换器适合于密闭的电子设备隔间,其运行和维护成本(以及电池后备服务)相当低。不同于空调器,热交换器消除散热的能力随散热空气和机箱空气值而变化。

被动散热技术

较小的机箱(里面能承受相对较高的温度)可通过被动方式散热。包括基本的自然(自由)对流散热和使用一些物相改变的物质(PCM)进行散热。自然对流是通过浮动的流体传递实现冷却,例如,暴露在阳光下的热箱壁被加热的较热流体上升与较冷的流体对流从而达到散热的目的。

当增加电源设备时,情况将变得更为复杂,但是仍然有办法通过自然对流带走设备所产生的热量。不过,设计人员必须牢记总体目标是通过自然对流将热量传递到外部,从而保持较低的内部温度。

PCM是指能够改变物相的物质,通常是在吸收散热时,从固态改变为液态。典型的PCM包括应用在高温场合下的蜡、盐和石蜡化合物,以及应用在低温场合下的水(冰)等。在机箱中,这些物质被保存在适当密封的盒子内,利用它们的热惯性和物相变化效应。

对于内部装有PCM的盒子,白天当太阳热被吸收时,它避免机箱空气的温度升高。在夜间,白天吸收的散热又将释放出来。在这一过程中,热量将继续通过机箱壁在内部与外部之间传递。

电池隔间

用于备份的电池一般安放在与户外机箱相连(或它里面)的隔间内。这些隔间暴露在太阳热辐射之下,必须保持制造商所规定的适当温度。这些隔间必须考虑对电池在工作寿命期间可能释放出的气味进行适当的通风排放。有好几种涉及电池隔间的发热处理措施,包括空调器/致冷器、热电散热器和空气-空气热交换器。

如果电池隔间的空气温度必须保持在最大周围(外部)条件以下,首选的方法是安装空调装置。对于大多数系统,这是典型的做法,尤其是对那些用于安装在全天候条件下的系统。典型空调器的唯一问题是它们的尺寸太大,因为对于很小的隔间来说,它们的性能远大于实际所需。

热电散热器

由于大多数典型电池隔间的散热负荷并不大,因此使用热电散热器是可行的。这些系统利用可逆电磁热力学的珀耳帖效应(Peltier effect)进行散热。热电散热器虽然可靠,但是散热效果不够好,也不适合偏远的户外机箱。

对于完全被动散热系统,一旦需要消除的热损耗功率被计算出来,散热系统就必须与这个电池隔间相适应。如果电池隔间的空气温度不必保持在最大外部环境温度以下,而负载也不是太高,则空气-空气热交换器为首选系统。在许多情形下,因为散热负载并不是很大,可用直吹风扇来消除过剩的热量和电池隔间里积聚的湿气。风扇还可用于基于热惯性原理的隔间散热管理。

电池隔间的被动散热

电池隔间也可使用被动方式进行散热。这些方法包括基本自然(自由)对流以及前面所提及的PCM。设计人员必须针对不同的情况(例如电池和外部温度)进行模拟测试。

PCM也可用于电池散热。这些物质被保存在隔间中恰当密封的盒子里,利用其热惯性和物相改变效应。例如,一个装有PCM物质的盒子将在白天吸收太阳散热,而且使其不会导致机箱中的空气变热。到了晚上,白天吸收的散热将被释放出来。在这一过程中,散热继续透过机箱壁进行传递。

无论设计人员选择主动式或被动式的散热方法,也无论它依照上面所提出的哪一种具体考虑,显然可以找到一种系统而直观的方法用来设计具有高效、安全的发热管理能力的机箱。通过仔细考虑环境条件、制造商的设备说明书,以及上述的设计指导原则,就可确保设备无论在什么条件下都是安全的。

Maurice J. Marongiu

总裁

MJM工程公司

maurice@