CN110765580B - 一种硬盘散热模型校准装置的制作及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬盘散热模型校准装置的制作方法，卸除待校准硬盘上盖，测量硬盘存储碟片尺寸；拆除存储碟片和磁头，去除马达定子周围的涂层；在马达定子周围布设耐热电阻，所述耐热电阻串联连接；测量耐热电阻总阻值；将串联的耐热电阻两端的导线伸出硬盘本体，组装硬盘上盖。本发明还提供了一种硬盘散热模型校准方法，利用上述硬盘散热模型校准装置，测量计算校准装置的平均热阻，校准硬盘的导热参数K。本发明实现了硬盘各部分参数的精确设定，可以得到一种校准的硬盘散热仿真模型，该模型精确度极高，能够代替真实硬盘进行不同工况发热测试，减少真实***中硬盘的使用带来的物料消耗，对***散热设计提供坚实的数据支撑。

Description

一种硬盘散热模型校准装置的制作及校准方法

技术领域

本发明涉及服务器散热仿真领域，具体涉及一种硬盘散热模型校准装置的制作及校准方法。

背景技术

在服务器散热仿真工作中，硬盘是建立散热仿真模型的重要部件，该模型一般按照硬盘的尺寸及材料得出，需要输入所有元件的密度、热传导率及功耗等属性。

在做模拟仿真的时候，通常根据材料的固有属性设定仿真参数。对于硬盘的散热仿真方法是从硬盘厂商处得到硬盘的整体外形尺寸，然后把整个硬盘建立成一个简单的块，并对这个块附上从厂家处得到的导热率。

但是，在实际的生产中，由于受到材料成分、工艺参数、制备方法以及杂质等因素的影响，即使是同一种材料，不同厂商不同批次的材料的固有属性也会存在差异，因此，根据材料的固有属性设定仿真参数，所作出的仿真可能存在一定偏差。同时，硬盘的功耗在实际使用情况中也会存在不同的差异，所以仿真模型中功耗的参数设定也会影响仿真的精确性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硬盘散热模型校准装置的制作及校准方法，实现了硬盘各部分参数的精确设定。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种硬盘散热模型校准装置的制作方法，其特征是，

卸除待校准硬盘上盖，测量硬盘存储碟片尺寸；

拆除存储碟片和磁头，去除马达定子周围的涂层；

在马达定子周围布设耐热电阻，所述耐热电阻串联连接；

测量耐热电阻总阻值；

将串联的耐热电阻两端的导线伸出硬盘本体，组装硬盘上盖。

进一步地，通过游标卡尺测量存储碟片尺寸。

进一步地，所述导线从硬盘本体与硬盘PCB之间连接孔穿出。

进一步地，耐热电阻与硬盘通过导热胶压实连接。

本发明还提供了一种硬盘散热模型校准方法，利用上述方法制作的硬盘散热模型校准装置，其特征是，

测量计算校准装置的平均热阻：在风洞实验室中测试硬盘散热模型校准装置，记录测试环境温度T_a，测量不同风速、不同功耗下校准装置的温度，据此计算不同风速下校准装置的平均热阻；

校准硬盘导热参数K：在CFD软件中建立硬盘3D散热仿真模型和数值风洞；根据某一风速下校准装置的平均热阻计算该风速下硬盘材料的初始导热参数，通过仿真计算求得此条件下的硬盘模拟温度和模拟热阻；调整硬盘材料初始导热参数的大小，直至硬盘模拟温度与测量的校准装置温度的误差、模拟热阻与计算的平均热阻的误差均在预设范围内，确定为该风速下参考导热系数；计算各个风速下硬盘材料参考导热参数的平均值，即为校准的硬盘导热参数K。

进一步地，所述硬盘3D散热仿真模型的硬盘转子的尺寸范围设置为硬盘的功耗区，功耗设置为真实硬盘功耗，所述数值风洞的长宽高尺寸为硬盘对应尺寸的5倍以上，数值风洞的边界条件环境温度设置为T_a。

进一步地，测量计算校准装置的平均热阻的具体步骤为：

11)测量测试环境温度T_a；

12)设置风扇风速，测量校准装置功耗分别设置为P₁、P₂、……、P_j时，校准装置的温度T_c，计算校准装置的热阻值，计算公式如下：

对不同功耗下的热阻值求平均值，得到该风速下校准装置的平均热阻；

13)根据测量需求修改风扇风速，重复12)。

进一步地，校准硬盘导热参数K的具体步骤为：

21)设置硬盘3D散热仿真模型和数值风洞的参数；

22)根据求得的某一风速下校准装置平均热阻，计算该风速下硬盘材料的初始导热参数，通过自动仿真计算求得此条件下的硬盘模拟温度和模拟热阻；

23)计算硬盘模拟温度与测量的校准装置温度的差值，如果差值小于等于2度，进入24)；如果差值大于2度，调整初始导热参数的大小，重复23)；

24)计算模拟热阻与校准装置平均热阻的差值，如果校准装置平均热阻与模拟热阻差距在10％以内，当前导热参数确定为该风速下硬盘材料参考导热参数；如果校准装置平均热阻与模拟热阻差距大于10％，调整导热参数的大小，重复23)；

25)根据测量需求修改风扇风速，重复22)；

26)计算各个风速下硬盘材料参考导热参数的平均值，即为校准的硬盘导热参数K。

进一步地，测量计算校准装置的平均热阻之前，对比校准装置与真实硬盘的测量结果，验证校准装置准确性。

进一步地，对比方法具体为：

在服务器中使用固定风扇转速测量真实硬盘正常工作的功耗、温度和风扇转速；

在该服务器中真实硬盘槽位处设置校准装置，采用外部电源向校准装置供电，供电功耗为原真实硬盘功耗，在相同风扇转速下测量校准装置的温度；

验证真实硬盘和校准装置的温度差异是否在工程误差范围内。

本发明的有益效果是：

本发明通过一种硬盘散热模型校准装置的制作及校准方法，可以得到一种校准的硬盘散热仿真模型，通过该仿真模型仿真能够得到硬盘在不同条件、不同配置下的温度分布，能够对***散热设计提供坚实的数据支撑。由于该模型参数经过校准装置的校准，精确度极高，可以大大减少***散热测试时间，能够代替真实硬盘进行不同工况发热测试，减少真实***中硬盘的使用带来的物料消耗；机械硬盘散热仿真验证校准装置还能通过调节功耗对***进行最大程度的预测，对后续***设计提供充分的数据积累。

附图说明

图1是本发明制作的硬盘散热模型校准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例建立的数值风洞示意图；

图3是本发明实施例CFD软件参数设置示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明提供了一种硬盘散热模型校准装置的制作方法，首先，选取某型号待校准硬盘进行拆解，拆除上盖螺丝从而卸除上盖，使用游标卡尺量测并记录硬盘内部的存储碟片的尺寸；然后，拆去硬盘内部的存储碟片以及磁头；

其次，通过机械手段去除马达定子周围的材料涂层；

然后，在马达定子周围均匀布置适当的耐热电阻；耐热电阻数量根据所选用电阻的型号决定，所有电阻的最大功耗之和设计为25W；

所有电阻通过导线串联连接在一起，并且在电阻和硬盘本体底面之间采用导热胶进行连接，在连接时需要压实使其充分接触；

接着，测量串联电阻之间的总电阻并记录在册；

最后，把电阻两端使用两条导线从硬盘本体与硬盘PCB之间连接孔穿出；把硬盘上盖使用原螺丝组装上去，完成硬盘散热模型校准装置制作。

经过上述制作方法制成的硬盘散热模型校准装置的结构示意图如图1所示。其中1为硬盘本体地面，2为马达定子，3为耐热电阻，4为导线，5为硬盘本体与硬盘PCB之间的连接孔。

利用制作的硬盘散热模型校准装置，本发明还提供了硬盘散热模型的校准方法，包括：

测量计算校准装置的平均热阻：在风洞实验室中测试硬盘散热模型校准装置，记录测试环境温度T_a，测量不同风速、不同功耗下校准装置的温度，据此计算不同风速下校准装置的平均热阻；

校准硬盘导热参数K：在CFD软件中建立硬盘3D散热仿真模型和数值风洞；根据某一风速下校准装置的平均热阻计算该风速下硬盘材料的初始导热参数，通过仿真计算求得此条件下的硬盘模拟温度和模拟热阻；调整硬盘材料初始导热参数的大小，直至硬盘模拟温度与测量的校准装置温度的误差、模拟热阻与计算的平均热阻的误差均在预设范围内，确定为该风速下参考导热系数；计算各个风速下硬盘材料参考导热参数的平均值，即为校准的硬盘导热参数K。

下面以一种实施方式为例，具体说明本发明的校准方法：

首先，在风洞实验室中对硬盘散热模型校准装置进行如下测试，记录硬盘校准装置温度，计算校准装置平均热阻：

11)在风速为0.5m/s下，硬盘散热模型校准装置功耗为5W，8W，11W，14W，17W时，分别量测硬盘散热校准装置温度T_c，使用如下公式计算各功耗下热阻值：

其中，T_a为测试时环境温度，P_j为硬盘校准装置功耗；

计算根据这些热阻值求平均值，计算得到平均热阻值A1；

12)在风速为1m/s下，硬盘散热模型校准装置功耗为5W，8W，11W，14W，17W时，分别量测硬盘散热校准装置温度T_c，使用如下公式计算各功耗下热阻值：

其中，T_a为测试时环境温度，P_j为硬盘校准装置功耗；

计算根据这些热阻值求平均值，计算得到平均热阻值A2；

13)在风速为1.5m/s下，硬盘散热模型校准装置功耗为5W，8W，11W，14W，17W时，分别量测硬盘散热校准装置温度T_c，使用如下公式计算各功耗下热阻值：

其中，T_a为测试时环境温度，P_j为硬盘校准装置功耗；

计算根据这些热阻值求平均值，计算得到平均热阻值A3；

14)在风速为2m/s下，硬盘散热模型校准装置功耗为5W，8W，11W，14W，17W时，分别量测硬盘散热校准装置温度T_c，使用如下公式计算各功耗下热阻值：

其中，T_a为测试时环境温度，P_j为硬盘校准装置功耗；

计算根据这些热阻值求平均值，计算得到平均热阻值A4；

15)在风速为2.5m/s下，硬盘散热模型校准装置功耗为5W，8W，11W，14W，17W时，分别量测硬盘散热校准装置温度T_c，使用如下公式计算各功耗下热阻值：

其中，T_a为测试时环境温度，P_j为硬盘校准装置功耗；

计算根据这些热阻值求平均值，计算得到平均热阻值A5。

其次，在CFD软件(如Flotherm)中根据硬盘3D模型建立散热仿真模型，在硬盘转子的尺寸范围内设置为硬盘的功耗区，设置其功耗为真实硬盘测试功耗17W，建立数值风洞(如图2所示)，设定数值风洞的边界条件环境温度为硬盘校准装置测试时的温度T_a，数值风洞的长宽高要超过真实硬盘对应尺寸的5倍以上并进行适当网格划分，图2中，设定6为风速进风面。校准步骤如下：

21)设定风速0.5m/s下，根据硬盘校准装置的平均热阻值A1反计算得到硬盘的材料初始导热参数K1，K1值通过CFD软件的材料参数直接输入(如图3所示)，然后通过CFD软件自动仿真计算，求得此条件下的硬盘模拟温度T_c’，并通过热阻计算公式计算得到仿真模型的模拟热阻Y1。通过T_c’与硬盘装置17W时的T_c比较(如果T_c’大于T_c，则K1值调整变小，反之，K1值调整变大)来不断修正K1值并最终得到T_c’与T_c之差在2度范围内，此时如果A1与Y1差距在10％以内判定正常，将此时的K1值记录为参考导热参数K11值，否则需要继续调整K1值以缩小Tc’与Tc的差距，直到A1与Y1差距在10％以内；

22)设定风速1m/s下，根据硬盘校准装置的平均热阻值A2反计算得到硬盘的材料初始导热参数K2，然后通过CFD软件自动仿真计算，求得此条件下的硬盘模拟温度T_c’，并通过热阻计算公式计算得到仿真模型的模拟热阻Y2。通过T_c’与硬盘装置17W时的T_c比较(如果T_c’大于T_c，则K1值调整变小，反之，K2值调整变大)来不断修正K2值并最终得到T_c’与T_c之差在2度范围内，此时如果A2与Y2差距在10％以内判定正常，将此时的K2值记录为参考导热参数K22值，否则需要继续调整K2值以缩小Tc’与Tc的差距，直到A2与Y2差距在10％以内；

23)设定风速1.5m/s下，根据硬盘校准装置的平均热阻值A3反计算得到硬盘的材料初始导热参数K3，然后通过CFD软件自动仿真计算，求得此条件下的硬盘模拟温度T_c’，并通过热阻计算公式计算得到仿真模型的模拟热阻Y3。通过T_c’与硬盘装置17W时的T_c比较(如果T_c’大于T_c，则K3值调整变小，反之，K3值调整变大)来不断修正K3值并最终得到T_c’与T_c之差在2度范围内，此时如果A3与Y3差距在10％以内判定正常，将此时的K3值记录为参考导热参数K33值，否则需要继续调整K3值以缩小Tc’与Tc的差距，直到A3与Y3差距在10％以内；

24)设定风速2m/s下，根据硬盘校准装置的平均热阻值A4反计算得到硬盘的材料初始导热参数K4，然后通过CFD软件自动仿真计算，求得此条件下的硬盘模拟温度T_c’，并通过热阻计算公式计算得到仿真模型的模拟热阻Y4。通过T_c’与硬盘装置17W时的T_c比较(如果T_c’大于T_c，则K4值调整变小，反之，K4值调整变大)来不断修正K4值并最终得到T_c’与T_c之差在2度范围内，此时如果A4与Y4差距在10％以内判定正常，将此时的K4值记录为参考导热参数K44值，否则需要继续调整K4值以缩小Tc’与Tc的差距，直到A4与Y4差距在10％以内；

25)设定风速2.5m/s下，根据硬盘校准装置的平均热阻值A5反计算得到硬盘的材料初始导热参数K5，然后通过CFD软件自动仿真计算，求得此条件下的硬盘模拟温度T_c’，并通过热阻计算公式计算得到仿真模型的模拟热阻Y5。通过T_c’与硬盘装置17W时的T_c比较(如果T_c’大于T_c，则K5值调整变小，反之，K5值调整变大)来不断修正K5值并最终得到T_c’与T_c之差在2度范围内，此时如果A5与Y5差距在10％以内判定正常，将此时的K5值记录为参考导热参数K55值，否则需要继续调整K5值以缩小Tc’与Tc的差距，直到A5与Y5差距在10％以内；

26)对K11，K22，K33，K44，K55求平均，得到硬盘的导热参数K,最终把该K值作为硬盘散热仿真模型的材料导热参数保存；通过此方法得到的最终散热仿真模型与硬盘实测温度差距始终保持在2度以内，精确度大大提高，完全符合工程散热仿真需求。

该散热仿真模型可以通过调整硬盘的功耗来模拟未来大功率大功耗机械硬盘，为散热设计提供坚实的基础支持。

为了保证硬盘散热模型校准装置与真实硬盘的差异性足够小，在测量计算校准装置的平均热阻之前，还可以对硬盘散热膜性校准装置和真实硬盘进行测量对比，具体过程如下：

首先，按照硬盘的规格书对硬盘以及硬盘散热校准装置进行热电偶线的连接；

其次，在服务器中使用固定风扇转速测量真实硬盘正常工作的功耗、温度和风扇转速等数据；

再次，在该测试服务器中原真实硬盘的硬盘槽位放上硬盘散热校准装置，硬盘散热校准装置采用外部电源(DC source)供电，供电功耗为原真实硬盘功耗，在相同风扇转速下测试硬盘校准装置的温度，并记录；

对真实硬盘以及硬盘散热校准装置温度差异形成数据比较表M，验证真实硬盘和校准装置的温度差异是否在工程误差范围内。

因硬盘散热特点，其功耗主要由转子所在位置产生，而硬盘校准装置热源也集中均匀分布在转子所在位置，故真实硬盘和硬盘校准装置在相同功耗下温度差距极小，在工程误差范围内。如果M表里面相同风扇转速以及硬盘功耗下硬盘散热校准装置与硬盘温度差距超过2度，需要检查硬盘散热校准装置内电阻是否损坏以及导热胶是否损坏以及粘结牢靠。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种硬盘散热模型校准装置的制作方法，其特征是，

卸除待校准硬盘上盖，测量硬盘存储碟片尺寸；

拆除存储碟片和磁头，去除马达定子周围的涂层；

在马达定子周围布设耐热电阻，所述耐热电阻串联连接；

测量耐热电阻总阻值；

将串联的耐热电阻两端的导线伸出硬盘本体，组装硬盘上盖；

该校准装置用于校准的方法为：

计算不同风速下校准装置的平均热阻；

校准硬盘导热参数K：在CFD软件中建立硬盘3D散热仿真模型和数值风洞；根据某一风速下校准装置的平均热阻计算该风速下硬盘材料的初始导热参数，通过仿真计算求得此条件下的硬盘模拟温度和模拟热阻；调整硬盘材料初始导热参数的大小，直至硬盘模拟温度与测量的校准装置温度的误差、模拟热阻与计算的平均热阻的误差均在预设范围内，确定为该风速下参考导热系数；计算各个风速下硬盘材料参考导热参数的平均值，即为校准的硬盘导热参数K。

2.根据权利要求1所述的硬盘散热模型校准装置的制作方法，其特征是，通过游标卡尺测量存储碟片尺寸。

3.根据权利要求1所述的硬盘散热模型校准装置的制作方法，其特征是，所述导线从硬盘本体与硬盘PCB之间连接孔穿出。

4.根据权利要求1所述的硬盘散热模型校准装置的制作方法，其特征是，耐热电阻与硬盘通过导热胶压实连接。

5.一种硬盘散热模型校准方法，利用权利要求1-4任意一种 所述方法制作的硬盘散热模型校准装置，其特征是，

测量计算校准装置的平均热阻：在风洞实验室中测试硬盘散热模型校准装置，记录测试环境温度T_a，测量不同风速、不同功耗下校准装置的温度，据此计算不同风速下校准装置的平均热阻；

校准硬盘导热参数K：在CFD软件中建立硬盘3D散热仿真模型和数值风洞；根据某一风速下校准装置的平均热阻计算该风速下硬盘材料的初始导热参数，通过仿真计算求得此条件下的硬盘模拟温度和模拟热阻；调整硬盘材料初始导热参数的大小，直至硬盘模拟温度与测量的校准装置温度的误差、模拟热阻与计算的平均热阻的误差均在预设范围内，确定为该风速下参考导热系数；计算各个风速下硬盘材料参考导热参数的平均值，即为校准的硬盘导热参数K。

6.根据权利要求5所述的硬盘散热模型校准方法，其特征是，所述硬盘3D散热仿真模型的硬盘转子的尺寸范围设置为硬盘的功耗区，功耗设置为真实硬盘功耗，所述数值风洞的长宽高尺寸为硬盘对应尺寸的5倍以上，数值风洞的边界条件环境温度设置为T_a。

7.根据权利要求5所述的硬盘散热模型校准方法，其特征是，测量计算校准装置的平均热阻的具体步骤为：

11)测量测试环境温度T_a；

12)设置风扇风速，测量校准装置功耗分别设置为P₁、P₂、……、P_j时，校准装置的温度T_c，计算校准装置的热阻值，计算公式如下：

对不同功耗下的热阻值求平均值，得到该风速下校准装置的平均热阻；

13)根据测量需求修改风扇风速，重复12)。

8.根据权利要求7所述的硬盘散热模型校准方法，其特征是，校准硬盘导热参数K的具体步骤为：

21)设置硬盘3D散热仿真模型和数值风洞的参数；

22)根据求得的某一风速下校准装置平均热阻，计算该风速下硬盘材料的初始导热参数，通过自动仿真计算求得此条件下的硬盘模拟温度和模拟热阻；

23)计算硬盘模拟温度与测量的校准装置温度的差值，如果差值小于等于2度，进入24)；如果差值大于2度，调整初始导热参数的大小，重复23)；

24)计算模拟热阻与校准装置平均热阻的差值，如果校准装置平均热阻与模拟热阻差距在10％以内，当前导热参数确定为该风速下硬盘材料参考导热参数；如果校准装置平均热阻与模拟热阻差距大于10％，调整导热参数的大小，重复23)；

25)根据测量需求修改风扇风速，重复22)；

26)计算各个风速下硬盘材料参考导热参数的平均值，即为校准的硬盘导热参数K。

9.根据权利要求5所述的硬盘散热模型校准方法，其特征是，测量计算校准装置的平均热阻之前，对比校准装置与真实硬盘的测量结果，验证校准装置准确性。

10.根据权利要求9所述的硬盘散热模型校准方法，其特征是，对比方法具体为：

在服务器中使用固定风扇转速测量真实硬盘正常工作的功耗、温度和风扇转速；

在该服务器中真实硬盘槽位处设置校准装置，采用外部电源向校准装置供电，供电功耗为原真实硬盘功耗，在相同风扇转速下测量校准装置的温度；

验证真实硬盘和校准装置的温度差异是否在工程误差范围内。

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