密閉電子設(shè)備機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究*

張 瑜

(南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100)

密閉電子設(shè)備機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究*

張 瑜

(南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司， 江蘇 南京 211100)

針對(duì)某雷達(dá)密閉電子設(shè)備機(jī)箱長期運(yùn)行出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，研究了影響機(jī)箱內(nèi)部模塊散熱的因素。采用溫度試驗(yàn)進(jìn)行逐步測(cè)試，并用理論計(jì)算及Icepak軟件對(duì)該散熱模型進(jìn)行仿真分析?；谠囼?yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真分析相結(jié)合的方法，通過降低傳導(dǎo)熱阻和提高傳熱能力解決機(jī)箱散熱問題。環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法有效，保證了密閉電子設(shè)備機(jī)箱在高溫條件下正常工作，滿足了設(shè)計(jì)要求。

密閉；熱設(shè)計(jì)；數(shù)值仿真；Icepak

引 言

隨著電子技術(shù)迅速發(fā)展，電子技術(shù)在軍用和民用各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。電子設(shè)備正向模塊化、小型化方向發(fā)展，系統(tǒng)集成度空前提高。因此，熱可靠性的實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品前端設(shè)計(jì)顯得尤為重要。隨著計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展，在設(shè)計(jì)階段，可借助CFD技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬和仿真分析，通過合理優(yōu)化發(fā)熱源布局，改善產(chǎn)品內(nèi)部的熱環(huán)境，從而可提高其熱可靠性[2-3]。

本文主要針對(duì)某雷達(dá)密閉電子設(shè)備機(jī)箱在強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下散熱效果不佳、局部溫度過高的問題，分析了影響機(jī)箱散熱的因素，結(jié)合溫度測(cè)試并利用Icepak軟件對(duì)該模型進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，通過降低傳導(dǎo)熱阻和提高傳熱能力解決了散熱的突出問題，使機(jī)箱滿足使用要求。環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證了解決方法的有效性，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比證明了理論計(jì)算和數(shù)值仿真結(jié)果的置信度。

1機(jī)箱結(jié)構(gòu)

為避免受外界惡劣環(huán)境影響，某雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)箱采用密閉結(jié)構(gòu)形式。遵循產(chǎn)品小型化、輕量化、模塊化的設(shè)計(jì)原則，該機(jī)箱外形尺寸為260 mm × 274 mm × 262.5 mm(寬×高×深)，內(nèi)部5個(gè)插件均采用模塊化設(shè)計(jì)，與機(jī)箱后部的背板采用盲插結(jié)構(gòu)形式。

各模塊通過鎖緊機(jī)構(gòu)與機(jī)箱導(dǎo)軌槽緊密接觸，把熱量傳遞至機(jī)箱壁。機(jī)箱上下壁焊接型材翅片，加大散熱面積。在機(jī)箱側(cè)面安裝具有防水功能的風(fēng)扇對(duì)翅片進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，同時(shí)保證機(jī)箱內(nèi)部的密閉性。機(jī)箱外形布局及散熱示意圖見圖1。

圖1 機(jī)箱外形布局及散熱示意圖

2 熱設(shè)計(jì)

2.1熱源分析

該電子設(shè)備機(jī)箱總發(fā)熱量為290 W，各模塊發(fā)熱量見表1。

表1 熱源統(tǒng)計(jì)表

整機(jī)要求工作環(huán)境最高溫度為50 ℃，接口數(shù)字板總發(fā)熱量為50 W，接口數(shù)字板上2處FPGA和2處AD的最高溫度不允許超過85 ℃。由于在常溫下長時(shí)間工作，接口數(shù)字板出現(xiàn)局部溫度過高現(xiàn)象，需對(duì)該模塊進(jìn)行溫度試驗(yàn)。接口數(shù)字板上各芯片熱量分布見表2。

表2 接口數(shù)字板熱源分布

該模塊的熱流路徑分析如圖2所示。

圖2 接口數(shù)字板熱流路徑

芯片的穩(wěn)態(tài)溫度主要取決于以下3個(gè)方面：1)芯片通過導(dǎo)熱襯墊至殼體冷板的熱阻；2)通過鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，殼體冷板至機(jī)箱導(dǎo)軌槽的熱阻；3)機(jī)箱散熱翅片強(qiáng)迫對(duì)流散熱能力。

為了降低傳導(dǎo)熱阻和提高傳熱能力，采用的方法主要有：

1)各芯片高度不一，須使用相應(yīng)厚度的導(dǎo)熱絕緣襯墊，將發(fā)熱器件和散熱器的底板充分接觸，確保散熱通路的暢通。如果發(fā)熱器件距離散熱器底板間隙過大，則應(yīng)在散熱器底板上加工相應(yīng)的凸臺(tái)，凸臺(tái)面積與發(fā)熱器件相同，且面向發(fā)熱器件，并在中間添加導(dǎo)熱絕緣襯墊。

2)模塊采用楔形鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，使模塊冷板與機(jī)箱緊密接觸，把熱量傳至機(jī)箱壁，鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖見圖3。鎖緊機(jī)構(gòu)通過螺釘連接在冷板兩側(cè)，與機(jī)箱導(dǎo)軌槽相配合。在鎖緊機(jī)構(gòu)螺桿方向施加合適的預(yù)緊力，兩側(cè)楔形塊就會(huì)沿楔形表面移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)模塊冷板與導(dǎo)軌槽的接觸，直至鎖緊。在模塊冷板與機(jī)箱導(dǎo)軌槽接觸面之間均勻涂抹導(dǎo)熱硅脂，通過鎖緊使得冷板與導(dǎo)軌槽之間的接觸熱阻大大減小，從而使模塊冷板的熱量能迅速向機(jī)箱壁傳遞。

圖3 鎖緊機(jī)構(gòu)示意圖

3)翅片選擇鋁型材翅片，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)為厚度0.4 mm、高度22 mm，通過鋁釬焊與機(jī)箱壁良好接觸。該散熱片具有散熱面積大、熱阻小等優(yōu)點(diǎn)，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，能快速將傳遞至翅片上的熱量散至空氣中。

2.2溫度測(cè)試

考慮到直接放入環(huán)溫箱進(jìn)行溫度試驗(yàn)，溫度過高容易造成電子器件受損，因此最初測(cè)試時(shí)將機(jī)箱置于常溫環(huán)境中(25 ℃)。采用熱電偶檢測(cè)器(型號(hào)：XSL/A-32LS1V0)進(jìn)行溫度測(cè)量，主要測(cè)試接口數(shù)字板上2處FPGA和1處AD的溫度，查找散熱癥結(jié)所在。

接口數(shù)字板取出，拆下冷板，將熱電偶貼于印制板芯片上及導(dǎo)熱襯墊側(cè)，裝上冷板，再在冷板、機(jī)箱導(dǎo)軌槽與模塊接觸面等位置貼上熱電偶。接口數(shù)字板外形見圖4，熱電偶測(cè)溫位置及標(biāo)識(shí)見圖5。恢復(fù)系統(tǒng)，進(jìn)行通電測(cè)試。

圖4 接口數(shù)字板

圖5 熱電偶測(cè)溫位置及標(biāo)識(shí)

測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于插拔次數(shù)多、用力不均等原因，接口數(shù)字板局部變形，導(dǎo)致1處AD(D23)與殼體冷板之間存在間隙。通過調(diào)整導(dǎo)熱絕緣襯墊的厚度，并在印制板邊緣與冷板增加一個(gè)螺釘連接，保證該芯片與冷板良好接觸，減少傳熱熱阻。重新測(cè)試后局部溫度有所改善，但芯片表面溫度依舊較高，最后發(fā)現(xiàn)模塊冷板與機(jī)箱壁導(dǎo)軌槽接觸有部分間隙。在冷板與導(dǎo)軌槽接觸面上增加涂抹導(dǎo)熱硅脂保證接觸良好，重新進(jìn)行溫度試驗(yàn)，芯片表面溫度有明顯降低。在25 ℃環(huán)境溫度下各次測(cè)試溫度見表3、表4和表5。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度 ℃

表4 調(diào)整D23導(dǎo)熱襯墊厚度、增加螺釘連接后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度 ℃

表5 冷板與導(dǎo)軌槽接觸面增涂導(dǎo)熱硅脂后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度 ℃

2.3理論計(jì)算

該機(jī)箱散熱主要采用傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式。

(1)熱傳導(dǎo)

φ=KAΔt/δ
Δt=φδ/(KA)

式中：φ為熱量；K為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面面積，m2；Δt為溫差，℃；δ為導(dǎo)熱方向的長度，m。

(2)熱對(duì)流

φ=hCAΔt
Δt=φ/(hCA)

式中：hC為表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為對(duì)流換熱面積，m2；Δt為固體壁面與流體的溫差。

(3)理論計(jì)算50 ℃時(shí)AD芯片(D23)表面溫度

機(jī)箱散熱翅片與外界溫差：

Δt1=φ/(hCA)=7.73 ℃

機(jī)箱上下底板與散熱翅片溫差：

Δt2=φδ/(KA)=0.06 ℃

導(dǎo)軌槽與機(jī)箱上下底板溫差：

Δt3=φδ/(KA)=1.44 ℃

冷板與導(dǎo)軌槽溫差：

Δt4=φδ/(KA)=11.05 ℃

AD芯片襯墊側(cè)與冷板邊沿溫差：

Δt5=φδ/(KA)=9.16 ℃

AD芯片與導(dǎo)熱襯墊溫差：

Δt6=φδ/(KA)=5.2 ℃

AD芯片表面溫度為：

T=T環(huán)+Δt1+Δt2+Δt3+Δt4+Δt5+Δt6=

50+7.73+0.06+1.44+11.05+9.16+5.2=

84.64 ℃

2.4仿真分析

在Icepak中對(duì)機(jī)箱模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，保證模型關(guān)鍵部位準(zhǔn)確，可縮短仿真分析時(shí)間。本機(jī)箱模型在一個(gè)求解域(Cabinet)中，機(jī)箱左側(cè)板上下創(chuàng)建2處開口(Opening)，采用平板單元(Plane)及散熱翅片(Heatsink)組合形成風(fēng)道，右側(cè)板上創(chuàng)建1個(gè)風(fēng)扇(Fan)與外界進(jìn)行熱交換。

為了計(jì)算時(shí)能快速收斂，針對(duì)復(fù)雜強(qiáng)迫對(duì)流情況(比如彎曲流體通道、截面急劇變化的流場(chǎng)、密集模型)，壓力項(xiàng)取0.7，動(dòng)量項(xiàng)取0.3。

求解結(jié)束后，可通過后處理操作了解具體溫度分布及氣流流向。接口數(shù)字板上芯片仿真結(jié)果見圖6，模型內(nèi)部速度矢量圖見圖7。

圖6 芯片仿真結(jié)果

圖7 內(nèi)部速度矢量圖

2.5環(huán)境試驗(yàn)

將高頻箱放入環(huán)試箱中，溫度設(shè)定為50 ℃，在整機(jī)工作狀態(tài)下進(jìn)行溫度測(cè)試，待各測(cè)試點(diǎn)溫度穩(wěn)定后測(cè)得溫度如表6所示。經(jīng)過長時(shí)間測(cè)試表明，高頻箱能正常工作。

表6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度 ℃

2.6結(jié)果分析

環(huán)試溫度結(jié)果表明，機(jī)箱在50 ℃環(huán)境下工作時(shí)，接口數(shù)字板芯片表面溫度低于85 ℃，能夠長時(shí)間正常工作。理論計(jì)算AD芯片(D23)最高溫度為84.64 ℃，比試驗(yàn)數(shù)據(jù)稍高。理論計(jì)算只能大致了解芯片表面溫度，無法考慮熱量的全部散熱路徑及模塊間的相互影響，對(duì)真實(shí)情況只能簡化計(jì)算。采用Icepak仿真分析時(shí)AD芯片(D23)最高溫度為84.28 ℃，比試驗(yàn)數(shù)據(jù)稍高，主要原因是對(duì)模型的簡化以及分析時(shí)忽略了實(shí)際工作狀態(tài)中機(jī)箱表面的熱量輻射。試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比見表7。

表7 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

3 結(jié)束語

針對(duì)某雷達(dá)密閉電子設(shè)備機(jī)箱長期運(yùn)行出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，研究了影響機(jī)箱內(nèi)部模塊散熱的因素?；谠囼?yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真，采取有效措施解決了機(jī)箱散熱問題，提高了電子設(shè)備熱可靠性。

1)采用溫度測(cè)試查找散熱癥結(jié)，通過確保發(fā)熱芯片與冷板充分接觸、減少模塊冷板與導(dǎo)軌槽間隙等措施，達(dá)到降低傳導(dǎo)熱阻和提高傳熱能力。

2)利用理論計(jì)算與Icepak數(shù)值仿真對(duì)密閉電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了解決措施的有效性，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比從側(cè)面證明了理論計(jì)算和數(shù)值仿真的置信度。

[1] 趙惇殳. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2009.

[2] 羅先培, 盧錫銘, 簡繼紅. 加固計(jì)算機(jī)中雙風(fēng)道散熱應(yīng)用研究[J]. 電子機(jī)械工程, 2011, 27(1): 23-25.

[3] 李增辰, 褚俐. 某密閉電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2009, 25(4): 7-9.

張 瑜(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

ExperimentalStudyonThermalDesignofSealedElectronicEnclosure

ZHANGYu

(NanjingNRIETIndustrialCo.,Ltd.,Nanjing211100,China)

To solve the overheat problem of a sealed electronic enclosure of radar in long-time operating, the factors influencing its heat dissipation of inner modules are investigated. Temperature experiments are conducted, and then theoretical calculation and numerical simulation using Icepak software are completed. Based on experimental measurement and numerical simulation, the overheat problem is solved by decreasing the thermal conduction resistance and improving the heat transfer capability. Environment test results verify the validity of the proposed method which ensures the normal operation of the enclosure in high temperature and meets the design requirements.

sealed; thermal design; numerical simulation; Icepak

2015-06-23

TK124

：A

：1008-5300(2015)04-0005-04