引言
核安全级数字化控制系统（ＤＣＳ）是核电站安全运行的关键组成部分，其稳定性和可靠性对反应堆的正常运行意义重大。
考虑到ＤＣＳ中安装了大量的电子元器件，因此其热稳定性会对整个控制系统产生重要影响。从ＤＣＳ的安全性和可靠性角度考虑，目前ＤＣＳ的散热方式采用强迫风冷技术，即在高发热器件上安装特定的散热器，利用风扇增大散热器表面的空气流速，从而实现器件的降温。因此，深入探究ＤＣＳ设备的热学性能，是实现高效散热的关键。
传热基本理论
热传导是一种换热现象，由存在温度差的高温物体和低温物体接触后产生。其导热过程中总热流量与引起换热的温差和导热面积成正比，且与物体的导热系数有关，其数学表达式为：
（1）
式中：Φ为热流量，Ｗ；λ为导热系数，Ｗ／（ｍ·℃）；Ａ为垂直于热流方向的截面面积，ｍ２；Δｔ为温差，℃。
热对流是由存在温度差的流体和固体耦合后产生的热交换现象，也称为对流换热。其总的换热量与引起换热的温差和导热面积成正比，且与物体固有的对流换热系数有关，其数学表达式为：
（2）
式中：Φ为对流换热量，Ｗ；α为对流换热系数，Ｗ／（ｍ２·℃）；Ａ为换热面积，ｍ２；Δｔ为流体与固体的温差，℃。
热辐射是由高于绝对零度的物体之间互相辐射和接收能量而产生的热交换现象。辐射换热的物理规律描述为斯蒂芬伯尔曼黑体辐射计算公式：
（3）
式中：Φ为辐射换热量，Ｗ；α为黑体辐射常数，为５．６７×１０－８Ｗ／（ｍ２·Ｋ４）；Ａ为辐射表面积，ｍ２；Ｔ为辐射表面绝对温度，Ｋ。
在核仪控领域主要采用自然对流散热或强制风冷散热，热辐射因为其传热量相对较少，一般忽略不计，主要考虑热传导和热对流的影响。
试验与建模仿真
某安全级ＤＣＳ机箱结构外形尺寸为宽度４８２．６ｍｍ×高度１３２ｍｍ×深度３２０ｍｍ（不含把手和定位销等突出部件），如图１（ａ）所示。
该机箱上、下面均有通风孔，有１４个卡槽，卡槽间距３０．４８ｍｍ，从左至右分别编号为卡槽１至卡槽１４，其实物图见图１（ｂ）。每个卡槽可以安装１个插件盒，插件盒包括面板和壳体，上述壳体上下面均有散热孔，插件盒主要用于安装和保护内部的各种功能模块，其外形见图１（ｃ）。
功能模块外形见图１（ｄ），主要为ＰＣＢ板及相关连接器，ＰＣＢ板通过６个螺柱固定在插件盒壳体上。其中卡槽１和卡槽２均安装主控模块，主控模块上主要有４个发热器件，分别定义为Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４，其位置示意见图１（ｄ），其发热相关参数见表１。
从表１可以看出，芯片Ｕ１单位表面积发热功耗和与ＰＣＢ单位接触的单位面积发热功耗均为最大，为保证其正常运行，安装有翅片型式的散热器进行辅助散热，其示意图如图２（ａ）。
在研发过程中，需要将机箱系统放置在温箱中进行长期稳定运行试验。详细试验过程为：将装配好的机箱放入温箱内部，并将电源、信号电缆从专用接线口引出，关闭温箱柜门，保证温箱内部与外部环境隔绝。随后将温箱内部目标温度设置为２５℃，温升速度不大于１℃／ｍｉｎ，温箱启动工作。
最后待温箱内部环境稳定半小时后，对机箱上电运行。机箱工作后，监测其信号精度、响应时间等参数，以确定其功能、性能满足要求。试验装置如图２（ｂ）所示。
试验结果如图３所示。可以看出，随着试验过程的进行，Ｕ１处的温度呈现出上升的趋势，并在试验进行３ｈ后芯片温度达到稳定，通过对Ｕ１处的温度进行测试，可见稳定阶段的芯片温度为８７．９℃。虽然该温度下能够保证该芯片正常工作，不会出现瞬时温度过高的现象，但是尽可能控制该温度的上升程度依然非常有必要。
建立机箱的有限元模型，如图４（ａ）所示，模拟机箱在自然散热作用下的温度变化。该机箱的主体材料为５０５２铝合金，壳体厚度为２ｍｍ，机箱的顶面和底面有通风孔，通风孔面积均为２６０ｍｍ×４００ｍｍ，通风率为５０％。插件盒前面板为４ｍｍ厚的压铸铝，盒体为２ｍｍ厚的５０５２铝合金。
插件盒为上下开通风孔结构，通风孔面积均为３００ｍｍ×２０ｍｍ，通风率为５０％。
如图４（ｂ）所示，在主控模块上有发热芯片Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３和Ｕ４，均位于同侧且互不接触。主要发热芯片Ｕ１上使用翅片型散热器，散热器材料为６０６１铝合金，散热器底座尺寸为３５ｍｍ×３５ｍｍ×３ｍｍ，翅片数量为７个，翅片高度８ｍｍ，翅片厚度２ｍｍ，翅片间距３．５ｍｍ。
除主控模块外，机箱内还安装有１２块功能模块，设置上述功能模块的发热功耗为３Ｗ且均匀分布在整个ＰＣＢ板上。ＰＣＢ板与插件盒之间的螺柱有传热接触，对其简化为等截面积的立柱，设定ＰＣＢ材质为ＦＲ４，环境温度为２５℃，系统分析区域尺寸为６００ｍｍ×５００ｍｍ×８８６ｍｍ，并对主控模块的芯片和散热器区域进行局域网格划分，最终网格数量为２３９６３４９个。
图５为稳定阶段机箱系统的温度分布云图，可以看出，由于主控制卡的Ｕ１芯片功耗较大，因此Ｕ１芯片发热严重，形成了局部高温区域，且该热量逐步向周边扩散。另外，可见稳定阶段Ｕ１芯片的最高温度为９０℃，该温度与实际采集温度８７．９℃基本一致。
因此研究结果证明了改有限元模型的可靠性，可用于后续的理论模拟分析。
机箱散热性能研究
机箱顶部表面温度分布如图６（ａ）所示。可以看出，安装主控模块的卡槽１和卡槽２处温度最高，为３９．８℃，并且热量逐渐向周边传递。当热量传递至卡槽８时，顶盖温度降低至３７．５℃；进一步地，在卡槽１４处，机箱顶盖处的温度降低至３４．３℃。
对比各模块发热功耗，主控模块的发热功耗最大，为７Ｗ，其余功能模块的发热功耗均为３Ｗ。该结果证明机箱表面温度与功能模块的发热功耗分布是一致的。进一步地，对机箱底部表面温度分布进行分析，结果见图６（ｂ）。
可以看出，卡槽１处底盖温度为３８．７℃，相比于顶盖温降低１．１℃；卡槽８处的底盖温度为３５．７℃，相比于顶盖温度降低１．８℃；卡槽１４处底盖温度为３３．８℃，相比于顶盖温度降低０．５℃。该现象证明，在机箱的同一竖直方向，热量有向上传递的趋势。
机箱内部压强分布见图７（ａ），可见在机箱工作时，随着各模块温度的升高，使得机箱内部空气温度随之升高，热空气密度降低后向上流动形成正压，并从顶部通风孔逸出。相比之下，机箱底部形成负压，冷空气自机箱底部通风孔进入机箱，以此形成自下而上的空气对流。
从图７（ｂ）可以看出，空气从机箱底部以较低流速进入机箱，在机箱内部沿结构件之间的间隙向上流动。空气在流动过程中带走器件表面产生的热量，伴随着空气温度的升高，其流动速度增大，最终以较快速度从机箱顶部逸出。
机箱散热影响因素分析
在强制风冷散热的状态下，机箱和插件盒的散热性能主要取决于传热面积、对流散热面积、热源与环境温度差值等。本研究从取热方式、通风率、进风方式和风量等４个方面，探究上述参数的变化对机箱散热性能的影响。
对现有取热方式进行总结，如表２所示。其中方案１常见于普通电子元器件，如电阻、电容、ＤＣ／ＤＣ模块等；方案２适用于发热量较大的产品，如主处理器芯片；方案３和方案４常见于独立模块，该类模块通常单独安装，独立承担特定功能；方案５常见于航空航天等发热量大或密闭空间等环境。其中方案１和方案２使用最为普遍，方案３至方案５加工难度依次提升，常用于存在高散热需求的密闭环境中。
对上述方案进行散热仿真，各方案下的温度云图如图８所示，对以上各方案的芯片型心位置的温度进行采集对比，其结果如表３和图９所示。
当芯片增加了翅片散热器后（方案２），由于散热器的铝制材料具有良好的导热性能，且散热翅片增大了散热面积，因此芯片Ｕ１的稳态温度显著下降，为８７．３℃。与此同时，Ｕ２、Ｕ３和Ｕ４的温度也显著下降，均低于７０℃。
当对芯片采用导热垫取热至插件盒壳体上（方案３），由于导热垫良好的导热性能以及插件盒壳体进一步增大了散热面积，所有芯片的稳态温度均低于６０℃，热量进一步耗散。在方案３的基础上，通过将壳体表面修饰成为翅片形式（方案４），温度进一步下降，最大功耗的发热器件Ｕ１的稳态温度仅为５１．９℃。
进一步地，将热量通过插件盒壳体传递至机箱本体（方案５），可以看出温度进一步下降，Ｕ１的稳态温度仅为５０．６℃，且其他各器件的最高温度均有明显下降，并且相比于其他方案，通过热量的传递实现增大散热面积的手段，在降低器件温度的同时，也使得各器件的温度分布更加均匀，不同器件之间的稳态温度更加接近，局部过热的现象逐渐消失。
在仪控设备机箱中，为方便机箱散热，一般在机箱的上／下面进行镂空处理，镂空面积与单位总面积的比值通常称为通风率。
本研究逐步改变机箱上／下盖板的通风率，并取卡槽１处主控模块的Ｕ１芯片为研究对象，结果如表４所示。
由表４可以看出，当滤网通风率为１０％时，Ｕ１芯片的最高温度达到了９１．１℃；当滤网通风率增大为２０％时，Ｕ１芯片的最高温度有所降低，达到了９０．７℃；随着通风率进一步增大，Ｕ１最高温度持续下降，当滤网通风率增大为８０％时，Ｕ１芯片的最高温度降至８７．３℃，可见机箱的散热性能随着滤网通风率的提高而逐步提升。芯片温度与进出风口通风率的关系见图１０。
在核安全级ＤＣＳ系统中，风扇通常位于机箱的上方或下方，如图１１所示。此时存在２种进风方式的情况，即：风扇位于机箱上方向外吸风和风扇位于机箱下方向内送风。
对这２种方式的散热效果进行分析，保持机箱内各部件的热学参数不变，并取Ｕ１芯片温度为研究对象，结果见图12。
可以看出，风扇位于机箱上方并向外吸风时，Ｕ１的稳态温度为５９．８℃；风扇位于机箱下方并向内送风时，Ｕ１的稳态温度为６３℃。本研究结果证明：风扇位于机箱上方并向外吸风时，Ｕ１的稳态温度更低，机箱的散热效果更佳。对比２种进风方式的内部气流，如图１３所示。
风扇位于机箱下方时，通过底部向上送风使机箱内部形成正压，此时空气向各方向流动，并从机箱顶部的通风孔排出机箱，在此过程中形成涡流，降低散热效率。风扇位于机箱上方并向外吸风时，在机箱内部形成负压，冷空气从机箱底部的进风口进入机箱内部，此种方式更有利于风道的形成，散热效率更高。
在ＤＣＳ系统中，因电压、功率的不同会选用不同规格的风扇，这些风扇在尺寸、静压、风量的方面均存在差异。为研究不同风量对机箱散热性能的影响，本研究通过改变风扇的固定风量，对比芯片Ｕ１稳态温度，探究风量变化对机箱散热性能的影响。
在有限元模型中，将风扇设定在机箱上方且向外吸风，设置通风率为５０％，环境温度为２５℃。将风扇的风量由２０ｍ３·ｈ－１逐步提升至１６０ｍ３·ｈ－１，主控模块温度随风扇风量变化的结果见表５，并将相关参数绘制为图１４。
可以看出，随着风扇风量的逐步上升，Ｕ１的稳态温度由７１．８℃逐渐降低至４７．８℃，机箱的散热性能也逐步提高。在实际使用过程中，若相同尺寸和电压的风扇需要提高风量，往往意味着更大的功耗，而在ＤＣＳ系统内分配给散热系统的功耗是有限的，同时提升风量往往会带来更大的噪音，因此在选择风扇时需要综合考虑。
结论
机箱表面温度受内部安装功能模块的影响，功能模块热功耗越高，其表面温度越大。在同一功能模块位置，机箱顶部的表面温度高于底部的表面温度。此外，机箱在自然对流状态下，空气以“下进上出”的方式进行流动，且机箱顶部的空气流速大于底部的空气流速。
通过芯片导热垫翅片式壳体机箱的取热方式散热效果最优，相比自然散热，能够显著降低关键器件的表面温度５５．４℃。
通风率与机箱散热性能呈正相关关系。研究表明，机箱的通风率逐步上升时，器件温度呈近似线性下降的关系。
当风扇安装于机箱上方进行吸风时，关键器件温度下降为５９．８℃。相比之下，当风扇安装于机箱下方送风时，关键器件温度下降为６３℃。因此，风扇安装于机箱上方为较优的选择。
机箱的散热性能受风扇送风量的影响，风量越大，机箱的散热性能越好。
