元器件布局對(duì)機(jī)箱溫度場(chǎng)的影響

朱自清，吳柯銳，郭永生，雷宏?yáng)|，楊 嬌

(1.山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠軍品第一研究所，山西 太原 030024；2.空軍駐山西地區(qū)軍事代表室，山西 太原 030024；3.山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠軍用加固外設(shè)研究所，山西 太原 030024)

2017-08-16

朱自清(1989- )，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及CAE分析。

1674- 4578(2017)05- 0026- 02

元器件布局對(duì)機(jī)箱溫度場(chǎng)的影響

朱自清1，吳柯銳2，郭永生1，雷宏?yáng)|1，楊 嬌3

(1.山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠軍品第一研究所，山西 太原 030024；2.空軍駐山西地區(qū)軍事代表室，山西 太原 030024；3.山西國(guó)營(yíng)大眾機(jī)械廠軍用加固外設(shè)研究所，山西 太原 030024)

針對(duì)某型電子機(jī)箱的故障，利用Solidworks Flow Simulation對(duì)其進(jìn)行了熱分析，得到了機(jī)箱內(nèi)部的溫度分布，明確了故障原因?yàn)槠骷囟冗^高。通過對(duì)元器件布局的優(yōu)化，并重新進(jìn)行熱分析，結(jié)果表明機(jī)箱內(nèi)部器件的溫度分布明顯改善，并且該電子機(jī)箱內(nèi)部器件經(jīng)重新布局后，未出現(xiàn)故障。

熱分析；電子機(jī)箱；布局優(yōu)化；Flow Simulation

大量的實(shí)踐表明，電子元器件的故障率隨元件溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系而增加，電子設(shè)備線路的性能則與溫度的變化成反比。因此，為了提高電子設(shè)備的工作性能和可靠性，在對(duì)電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)設(shè)備和元器件的熱特性進(jìn)行仔細(xì)的分析和研究，以便進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)。

文章分析的是在工作中用到的一個(gè)電子機(jī)箱，該機(jī)箱在工作中多次出現(xiàn)故障以致停止工作，常溫放置一段時(shí)間后，重新啟動(dòng)，又可正常工作。初步判斷故障原因?yàn)楣ぷ鳒囟冗^高，致使內(nèi)部器件啟動(dòng)熱保護(hù)。為了尋找故障原因并解決問題，現(xiàn)對(duì)該電子機(jī)箱進(jìn)行實(shí)體建模及熱分析。

1 機(jī)箱的熱分析

在對(duì)機(jī)箱進(jìn)行熱分析時(shí)，有一些特征是對(duì)分析沒有影響的，因此要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)一些特征進(jìn)行壓縮。簡(jiǎn)化模型中用一個(gè)完整的板來代替插座，因?yàn)椴遄鶎?duì)箱體內(nèi)部熱環(huán)境的影響很小；同時(shí)還對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行了壓縮。

熱分析模型如圖1所示，將進(jìn)行一次內(nèi)部分析。內(nèi)部分析要求箱體無開口，故對(duì)風(fēng)扇安裝孔和散熱孔創(chuàng)建了封蓋。在流體分析模型中，需要指定元器件的材質(zhì)和熱功耗。

圖1 分析模型

芯片的材質(zhì)為金，功耗5 W；電阻的材質(zhì)為銅，功耗2 W；電容在常溫下工作，大電容工作在45 ℃，小電容工作在35 ℃。

然后設(shè)置邊界條件，并插入風(fēng)扇，最后運(yùn)行分析，得到箱體內(nèi)部的溫度分布圖。

圖2 芯片內(nèi)部溫度切面圖

圖3 電容和電阻內(nèi)部溫度切面圖

圖2，圖3所示為芯片、電容和電阻的溫度切面圖。從圖中可以看出，芯片內(nèi)部的溫度高達(dá)180 ℃，而芯片允許的最高工作溫度為125 ℃，所以就解釋了前文提到的故障；電阻電容的溫度只在60 ℃左右，在正常的工作溫度內(nèi)。因此只有降低芯片的溫度才能排除故障。

該電子機(jī)箱使用的散熱方式為自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種方式，因此通過增大元器件和流體(空氣)的接觸面積或者加快流體的流動(dòng)速度，對(duì)元器件的散熱會(huì)有一定的幫助。根據(jù)以上分析，提出兩種優(yōu)化方案：方案1，元器件布局的優(yōu)化，如將芯片放置在空氣流速較快的地方；方案2，增大元器件和空氣的接觸面積，如在芯片頂部加裝散熱器。

為了尋找機(jī)箱內(nèi)部空氣流速最大的位置，我們獲取了空氣流速分布圖，如圖4所示。

圖4 空氣流速分布圖

從圖中可以看出，入口處的流速最大，出口處的流速次之。

2 改進(jìn)方案的分析

為了得到更優(yōu)化的布局，降低機(jī)箱內(nèi)部元器件的溫度，有必要對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行熱分析。

2.1 優(yōu)化元器件布局

由于機(jī)箱內(nèi)部器件的溫度除了芯片之外均在正常工作范圍內(nèi)，所以布局的優(yōu)化只針對(duì)芯片。從圖4可知，入口處的空氣流速最大，故將芯片放置到風(fēng)扇入口處，重新進(jìn)行熱分析。

其他各項(xiàng)參數(shù)和邊界條件均不變，對(duì)算例進(jìn)行求解并加載結(jié)果文件。

圖5為芯片內(nèi)部的溫度切面圖。從圖中可知，芯片的溫度最高為114.55 ℃，相比之前的布局，芯片溫度有了明顯的降低。

圖5 芯片的溫度切面圖

2.2 增大元器件和空氣的接觸面積

增大元器件和空氣的接觸面積，主要是增大芯片和空氣的接觸面積，而芯片的外形結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，所以通過加裝散熱器來間接達(dá)到增大接觸面積的目的。散熱器材質(zhì)為鋁，粘合到芯片表面。算例其他各項(xiàng)參數(shù)和約束條件均沒有發(fā)生變化，進(jìn)行求解并加載結(jié)果文件。

圖6 芯片和散熱器內(nèi)部溫度切面圖

從圖6可以看出，芯片處于熱平衡時(shí)的溫度大約為120 ℃。

從以上的分析可知，兩種方法均能使機(jī)箱內(nèi)部的溫度顯著降低，從180 ℃降低到120 ℃，滿足了芯片最大工作溫度的要求，但是芯片的溫度距離上限溫度很接近。為了繼續(xù)降低芯片溫度，因此考慮兩種方法相綜合。

重新建模并求解算例，加載結(jié)果文件，得到圖7。

圖7 芯片和散熱器內(nèi)部溫度切面圖

從圖中可知，芯片的溫度最高為70 ℃，遠(yuǎn)低于其最高工作溫度，表明方案1和方案2的綜合是最優(yōu)的解決方案。

3 結(jié)論

經(jīng)分析，最終決定將芯片放置在風(fēng)扇入口處，并在其表面加裝散熱器。優(yōu)化后，該電子機(jī)箱之前出現(xiàn)的故障消失，能夠正常的工作。

結(jié)果表明，對(duì)機(jī)箱內(nèi)部電子元器件布局的優(yōu)化，能使箱體內(nèi)部的溫度場(chǎng)明顯改善，降低關(guān)鍵器件的溫度，最大限度地延長(zhǎng)機(jī)箱的使用壽命。同時(shí)也表明，對(duì)大功率器件，安裝在風(fēng)扇入風(fēng)口處或者在器件表面加裝散熱器，均會(huì)使器件的溫度降低。

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.南京：東南大學(xué)出版社，2001.

陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

TheInfluenceofComponentLayoutonChassisTemperatureField

Zhu Ziqing1, Wu Kerui2, Guo Yongsheng1, Lei Hongdong1, Yang Jiao3

(1.TheFirstMilitaryResearchInstitute,ShanxiDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China;2.ShanxiRegionMilitaryRepresentativesOfficeofAirForce,TaiyuanShanxi030024,China; 3.TheMilitaryPeripheralReinforcementResearchInstitute,ShanxiDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China)

Aiming at the faults of an electronic chassis, the thermal analysis is carried out by using Solidworks Flow Simulation, and gets the temperature distribution of components inside of the chassis. The reason of the fault is that the device temperature is too high. Through the optimization on the layout of components and making thermal analysis again, the results show that the temperature distribution of the internal parts of the chassis is obviously improved. And no fault is found after the layout for the internal components of the electronic chassis.

thermal analysis; electrical chassis; optimization of the layout; flow simulation

TN609；TK311

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