基于Flotherm的密閉機(jī)箱散熱分析

曹耀輝 陳遠(yuǎn)益

摘? 要：根據(jù)機(jī)箱熱載荷等邊界條件，對(duì)密閉機(jī)箱中功能模塊的熱功耗熱流密度進(jìn)行分析和計(jì)算。根據(jù)理論計(jì)算機(jī)箱與空氣自然對(duì)流的熱流密度值來(lái)評(píng)估散熱性能，并將計(jì)算結(jié)果與空氣自然對(duì)流散熱的熱流密度閾值進(jìn)行比較：在此基礎(chǔ)上使用建模軟件Creo 4.0完成機(jī)箱的CAD數(shù)字樣機(jī)建模，使用Flotherm有限元仿真軟件進(jìn)行熱仿真分析，完成機(jī)箱參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)格劃分，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行精確的熱仿真計(jì)算，驗(yàn)證機(jī)箱熱設(shè)計(jì)的可靠性，為其他同類電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：熱功耗;熱流密度;機(jī)箱;熱仿真;Flotherm軟件

中圖分類號(hào)：TN02? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）22-0041-04

Heat Dissipation Analysis of Closed Chassis Based on Flotherm

CAO Yaohui，CHEN Yuanyi

（Changsha Chaochuang Electronic Co.，Ltd.，Changsha? 410221，China）

Abstract：According to the thermal load and other boundary conditions of the chassis，the thermal power consumption and heat flux of the functional modules in the closed chassis are analyzed and calculated. According to the theory to calculate heat flux value between the chassis and natural convection of air to evaluate thermal performance，and the calculated results are compared with the heat flux threshold value of natural convection heat dissipation of air：on this basis，the modeling software Creo 4.0 is used to complete the CAD digital prototype modeling of the chassis，use Flotherm finite element simulation software for thermal simulation analysis，complete the chassis parameter setting，grid division，carry out accurate thermal simulation calculation of the chassis，verify the reliability of the chassis thermal design，and provide reference for the design of other similar electronic products.

Keywords：thermal power consumption;heat flux;chassis;thermal simulation;Flotherm software

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活各個(gè)領(lǐng)域，其中圖像信息處理技術(shù)已成為目前研究的熱點(diǎn)之一，各種以機(jī)箱為載體的圖像處理模塊也因此層出不窮。在各種惡劣環(huán)境下，熱設(shè)計(jì)與仿真成為保證機(jī)箱可靠性的前提，熱設(shè)計(jì)的好壞直接影響電子產(chǎn)品的工作性能、可靠性以及壽命。解決電子產(chǎn)品過(guò)熱問(wèn)題已成為目前國(guó)內(nèi)外電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本項(xiàng)目為長(zhǎng)沙超創(chuàng)電子與某研究院合作研制的圖像控制處理機(jī)箱，難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)“盡量減少熱阻，加快散熱速度，降低內(nèi)部溫升，提高設(shè)備可靠性”;作者通過(guò)對(duì)機(jī)箱熱量傳播路徑的分析和溫度分布云圖計(jì)算，研究加強(qiáng)機(jī)箱散熱的有效措施并指導(dǎo)相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。前期已生產(chǎn)出樣機(jī)，目前已完成小批量生產(chǎn)，并進(jìn)行過(guò)多輪相關(guān)驗(yàn)證性的高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果與仿真分析結(jié)果吻合度較高。

1? 機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成

用Creo 4.0三維軟件進(jìn)行機(jī)箱CAD數(shù)字樣機(jī)建模，機(jī)箱的組成如圖1所示，主要由機(jī)箱、模塊1（6U板）、模塊2（6U板）、電源模塊組成;機(jī)箱由左/右側(cè)板、底板（PCB）、前面板組件、后蓋板及上蓋板組成（搭接處設(shè)有密封槽和EMC，文中不再贅述），根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性要求的“高溫濕熱”環(huán)境條件，機(jī)箱采用密閉結(jié)構(gòu)形式，模塊1、模塊2及電源模塊為高熱耗模塊，其中模塊1熱耗30.0 W，模塊2熱耗35.0 W，電源模塊熱耗30.5 W，主要散熱芯片如表1所示，剩余熱耗均勻加載至PCB板和鄰近的結(jié)構(gòu)件上。機(jī)箱外形尺寸為272.00 mm×210.00 mm×196.00 mm;模塊1外形尺寸233.35 mm×145.00 mm×16.00 mm;模塊2外形尺寸233.35 mm×146.00 mm×16.50 mm;電源模塊外形尺寸159.00 mm×98.00 mm×27.00 mm。

通過(guò)對(duì)機(jī)箱內(nèi)部模塊散熱狀況進(jìn)行分析，可以看出影響散熱性能的因素主要有以下兩個(gè)：即模塊導(dǎo)熱板和導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能，以及機(jī)箱左、右側(cè)板與空氣自然對(duì)流散熱（含表面輻射散熱）。模塊導(dǎo)熱板的導(dǎo)熱性能滿足熱設(shè)計(jì)要求，可以保證內(nèi)部模塊（散熱芯片）產(chǎn)生的熱量通過(guò)芯片的Rth（J-C）（結(jié)-殼熱阻）傳導(dǎo)至導(dǎo)熱墊（本文選的型號(hào)為GR-HM，熱導(dǎo)率為6 W/（m·K））、導(dǎo)熱板（材料選用6061-T6，熱導(dǎo)率為180 W/（m·K），表面處理方式為黑色硬質(zhì)陽(yáng)極氧化），熱量盡快從導(dǎo)熱板表面?zhèn)鬟f至兩側(cè)邊緣，再通過(guò)鎖緊條組件傳導(dǎo)到機(jī)箱左、右側(cè)板，最終通過(guò)機(jī)箱左、右側(cè)板外壁與外部進(jìn)行自然對(duì)流換熱，從而保證傳導(dǎo)至左、右側(cè)壁的熱量能夠通過(guò)自然對(duì)流全部散出到外部空氣中;散熱途徑為：散熱芯片通過(guò)導(dǎo)熱墊傳到導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板傳導(dǎo)至兩側(cè)板（機(jī)箱），機(jī)箱對(duì)外輻射散熱，如圖2所示。

通過(guò)計(jì)算箱體外壁與空氣對(duì)流散熱的熱流密度可以研究密閉機(jī)箱的整體散熱情況。

2? 熱設(shè)計(jì)理論分析計(jì)算

根據(jù)協(xié)議，“環(huán)境適應(yīng)性”機(jī)箱的使用環(huán)境溫度范圍為-41 ℃～50 ℃;散熱方式：自然對(duì)流散熱+輻射散熱。主要高熱耗散熱模塊參數(shù)如表1所示。3個(gè)模塊的總熱耗為：

其中，Q1為模塊1的熱耗35.0 W;Q2為模塊2的熱耗30.0 W;Q3為模塊3的熱耗30.5 W。

機(jī)箱熱穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度的計(jì)算為：

其中，A為散熱總面積（外表面），A=4 848 cm2。機(jī)箱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的熱流密度計(jì)算為：

機(jī)箱最高環(huán)境溫度為50 ℃，根據(jù)設(shè)備的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)及主要高熱耗元器件的耐高溫性能（不超過(guò)95 ℃～125 ℃），粗略估計(jì)元器件內(nèi)部溫升應(yīng)控制在35 ℃～45 ℃（預(yù)留10 ℃的安全裕量），密閉機(jī)箱自然對(duì)流散熱達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，內(nèi)部溫升不超過(guò)35 ℃～45 ℃時(shí)，根據(jù)對(duì)流換熱理論：自然對(duì)流散熱的熱流密度閾值一般為4.2×10-2 W/cm2～5.1×10-2 W/cm2。根據(jù)設(shè)備允許溫升和熱流密度選擇冷卻方法，如圖3所示，由計(jì)算結(jié)果得出，機(jī)箱熱穩(wěn)態(tài)下的熱流密度Φ小于自然對(duì)流散熱的閾值，機(jī)箱內(nèi)部溫升小于35 ℃，模塊、器件的工作溫度小于95 ℃，機(jī)箱自然散熱可以滿足要求。選擇“自然對(duì)流散熱+輻射散熱”的方式。

3? 機(jī)箱散熱的仿真分析計(jì)算

3.1? 建立熱模型

根據(jù)Creo 4.0軟件建立的機(jī)箱三維模型，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行仿真計(jì)算分析，首先簡(jiǎn)化機(jī)箱3D模型，去除標(biāo)準(zhǔn)件（如螺釘、螺母、平墊、彈墊）、圓角、安裝孔等不影響散熱仿真的零部件及相關(guān)細(xì)節(jié)。

具體步驟為：

（1）使用Creo 4.0將機(jī)箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化;

（2）刪除標(biāo)準(zhǔn)件（如安裝螺釘）等不影響散熱的細(xì)節(jié);

（3）通過(guò)FloMCAD Bridge將簡(jiǎn)化處理后的模型導(dǎo)入Flotherm 軟件;

（4）按正確的傳熱路徑，建立機(jī)箱系統(tǒng)的熱仿真模型;

（5）在導(dǎo)軌與機(jī)箱插槽、鎖緊條與機(jī)箱插槽等處設(shè)置相應(yīng)接觸熱阻;

（6）環(huán)境溫度設(shè)置為50 ℃（默認(rèn)環(huán)境溫度、輻射溫度、系統(tǒng)環(huán)境溫度均設(shè)置為該值）;

（7）散熱方式為“空氣自然對(duì)流散熱+輻射散熱”（設(shè)置重力方向，各結(jié)構(gòu)件的輻射設(shè)為08mm subdivided）;

（8）密閉機(jī)箱自然對(duì)流，流態(tài)設(shè)置為湍流;

（9）設(shè)置實(shí)際情況下外部空氣流速為2 m/s的自然風(fēng)。

機(jī)箱參數(shù)：總熱耗為95.5 W，導(dǎo)軌與機(jī)箱插槽、鎖緊條與機(jī)箱插槽等處接觸熱阻設(shè)置為0.003 km2/W。在Flotherm軟件中建立熱分析模型，如圖4所示。

3.2? 熱仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)客戶協(xié)議“環(huán)境適應(yīng)性”要求的最高環(huán)境溫度設(shè)置為50 ℃，模擬溫箱的實(shí)際情況（設(shè)置風(fēng)速為2 m/s），機(jī)箱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度分布云圖如圖5所示，整個(gè)設(shè)備的最高溫度123 ℃，為清晰顯示仿真結(jié)果，如圖6所示去除上蓋板部分的溫度分布云圖。

熱量主要集中在機(jī)箱的后半?yún)^(qū)域，在進(jìn)行機(jī)箱整體的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在該區(qū)域加強(qiáng)散熱，如增加機(jī)箱左、右側(cè)板后半?yún)^(qū)域的散熱筋片數(shù)量，盡量實(shí)現(xiàn)機(jī)箱前面板、后蓋板組件與左、右側(cè)板之間的熱交換，將熱量均勻化，提高機(jī)箱與外部空氣的對(duì)流換熱效率。

內(nèi)部模塊主要芯片最高溫度如表2所示，模塊1最高溫度122.6 ℃;模塊2最高溫度105 ℃;模塊3殼溫為80.7 ℃;模塊1和模塊2的TPS53355芯片最高允許結(jié)溫為125 ℃;模塊3最高允許殼溫為85 ℃;因此滿足高溫環(huán)境要求，機(jī)箱內(nèi)部發(fā)熱模塊集中區(qū)域出現(xiàn)熱量聚集，最高工作環(huán)境溫度接近79 ℃，應(yīng)在模塊與機(jī)箱壁之間采取冷板結(jié)構(gòu)等加強(qiáng)散熱措施。另外：模塊1和模塊2最高溫度均在芯片TPS53355處，模塊1的TPS53355結(jié)溫為122.6 ℃，模塊2的TPS53355結(jié)溫為105 ℃，兩者相差17.6 ℃，這是由于模塊1中TPS53355距離鎖緊條裝置較遠(yuǎn)，模塊2中TPS53355距離鎖緊條裝置較近;仿真結(jié)果表明芯片在PCB板上的布板位置以及芯片散熱的導(dǎo)熱路徑優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的散熱性能。

一般的芯片，熱設(shè)計(jì)時(shí)僅把Rth（J-C）通過(guò)導(dǎo)熱墊導(dǎo)出至導(dǎo)熱板即可滿足散熱要求，但是本論文的主電源芯片TPS53355，根據(jù)芯片手冊(cè)可以查出相應(yīng)熱參數(shù)：芯片TPS53355的Rth（J-C）=17.1 ℃/W（結(jié)-殼熱阻），Rth（J-B）=5.9 ℃/W（結(jié)-板熱阻），由于Rth（J-B）比Rth（J-C）小，僅通過(guò)Rth（J-C）經(jīng)導(dǎo)熱墊導(dǎo)出至導(dǎo)熱板，是不能滿足散熱要求的（該工況的仿真結(jié)果表明：僅通過(guò)Rth（J-C）導(dǎo)出，TPS53355的結(jié)溫會(huì)超出芯片允許結(jié)溫，具體細(xì)節(jié)在此不再贅述）。在此給出該芯片的最佳散熱路徑：把Rth（J-C）和Rth（J-B）都導(dǎo)出至導(dǎo)熱板，即在PCB板TPS53355芯片周圍區(qū)域設(shè)置鍍銅區(qū)域，熱量除了傳統(tǒng)的Rth（J-C）通過(guò)導(dǎo)熱墊導(dǎo)出至導(dǎo)熱板外，還經(jīng)Rth（J-B）傳導(dǎo)至鍍銅區(qū)域，再經(jīng)導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)至導(dǎo)熱板，從而提高TPS53355的散熱效率，控制實(shí)際結(jié)溫低于允許最高結(jié)溫，使各模塊滿足散熱要求。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)分析機(jī)箱內(nèi)部發(fā)熱模塊的散熱路徑，計(jì)算工況為“自然對(duì)流散熱+輻射散熱”的熱流密度，使用Flotherm軟件對(duì)機(jī)箱進(jìn)行散熱仿真計(jì)算，得到熱穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度分布云圖，各模塊表面的最高溫度（殼溫）及主要芯片的結(jié)溫，根據(jù)理論分析計(jì)算及Flotherm仿真計(jì)算結(jié)果，結(jié)論如下：

（1）在自然冷卻條件下，環(huán)境溫度為50 ℃，一個(gè)大氣壓的條件下，密閉機(jī)箱達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)的熱流密度小于自然對(duì)流散熱的閾值;

（2）仿真計(jì)算結(jié)果清晰表明，通過(guò)機(jī)箱自然對(duì)流及輻射散熱滿足各芯片結(jié)溫要求，即各主要高熱耗芯片仿真計(jì)算結(jié)溫低于芯片允許最高工作結(jié)溫，設(shè)備能正常工作;

（3）芯片在PCB板上的布板位置以及芯片散熱的導(dǎo)熱路徑優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)散熱性能;

（4）TPS53355的最佳散熱路徑把Rth（J-C）和Rth（J-B）都導(dǎo)出至導(dǎo)熱板，才能滿足允許結(jié)溫要求;

（5）高溫試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近，為其他電子設(shè)備熱仿真分析提供參考依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：曹耀輝（1982—），男，漢族，湖南湘潭人，中級(jí)工程師，碩士，研究方向：電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱管理。