某電子設(shè)備的熱設(shè)計及優(yōu)化

黃開明

（中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

在無線通信領(lǐng)域，電子設(shè)備正朝著小型化、模塊化以及輕量化方向發(fā)展。在設(shè)備體積變小、熱流密度變大的情況下，如何對設(shè)備進行合理的熱設(shè)計尤為重要。某電子設(shè)備整機熱耗54 W、環(huán)境溫度為55 ℃的條件下，通過自然散熱不能滿足散熱要求。設(shè)備需選擇安裝風(fēng)扇或合理的風(fēng)道設(shè)計，通過強迫風(fēng)冷將熱量散到環(huán)境中。通過熱仿真，對結(jié)構(gòu)散熱方案和風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[1]。

1 設(shè)備的熱設(shè)計

某項目電子設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境為機載，要求設(shè)備輕型化和小型化。在此前提下，合理的熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要。此電子設(shè)備的設(shè)計原則是合理布局模塊分層，在滿足熱設(shè)計指標(biāo)的前提下優(yōu)化風(fēng)道與散熱器尺寸，并對設(shè)備進行減重處理[2]。

1.1 設(shè)備組成

設(shè)備主要由電源模塊、終端模塊以及接口模塊等組成。考慮設(shè)備內(nèi)各模塊的互聯(lián)關(guān)系，設(shè)備總體布局采用分層式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。設(shè)備分為3層，上層為接口模塊，中間為終端模塊，下層為電源模塊，風(fēng)機安裝在設(shè)備后端。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)布局

1.2 散熱方案

設(shè)備內(nèi)主要熱源為電源模塊的兩個熱敏器件（環(huán)境溫度55 ℃，要求殼溫小于85 ℃），熱耗分別為12 W、8 W。終端模塊的6個熱敏器件熱耗分別為3 W、4 W、3 W、5 W、2 W以及5 W，接口模塊的3個熱敏器件熱耗分別為5 W、5 W以及2 W，整個設(shè)備的熱耗為54 W。針對此設(shè)備的使用環(huán)境，散熱方式一般為自然散熱或強迫風(fēng)冷。由于設(shè)備熱耗大，自然散熱無法滿足散熱需求，因此選用強迫風(fēng)冷，其具有設(shè)備簡單、工作可靠、維護簡便以及費用低等優(yōu)點[3]。

繼承以往的安裝形式，電源模塊的熱敏器件貼殼底散熱。其余模塊的熱敏器件通過導(dǎo)熱塊將熱量傳導(dǎo)至散熱器，通過風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)將熱量帶入大氣環(huán)境。根據(jù)熱平衡方程，初步確定風(fēng)機風(fēng)量。散熱器選擇合適的尺寸參數(shù)，在實現(xiàn)散熱的同時兼顧輕量化設(shè)計。通過仿真，檢驗熱設(shè)計的結(jié)果，并根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整設(shè)計參數(shù)，降低風(fēng)道的風(fēng)阻，使所有元器件均在低于額定溫度的情況下工作。

1.2.1 風(fēng)機選型

設(shè)備散熱所需的風(fēng)量應(yīng)等于各發(fā)熱器件散熱所需風(fēng)量之和，根據(jù)熱平衡方程得出整機的通風(fēng)量為：

式中，Φ為系統(tǒng)總熱耗功率，本例中為54 W；Cp為空氣的比熱容，常壓下為1 005 J/（kg·℃）；ρ為空氣密度，常壓下為1.06 kg/m3；Δt為系統(tǒng)出風(fēng)口和進風(fēng)口的溫度差，通常取10 ℃[4]。計算得出通風(fēng)量為18 m3/h，由于系統(tǒng)中存在風(fēng)阻，風(fēng)機不可能工作在最大風(fēng)量處，因此參考選型手冊中風(fēng)機工作曲線中的最佳工作風(fēng)量選擇1個ebm PAPST 3414NHH風(fēng)機[5]。

1.2.2 散熱器設(shè)計

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，選擇簡單實用的片式散熱器，基板尺寸為187.5 mm×142 mm×2 mm，散熱肋片厚度2 mm、高度6 mm、長度162 mm。查詢相關(guān)文獻可知，采用強迫風(fēng)冷時，滿足系統(tǒng)溫升在30 ℃以下，熱流密度應(yīng)小于0.08 W/cm2。設(shè)備總熱耗54 W，設(shè)計散熱器散熱面積應(yīng)大于675 cm2。設(shè)肋片數(shù)量為n，則散熱表面積為187.5×142+2×6×162×n＞67 500，得出n大于21.02。考慮加工的工藝性，選取肋間距為6 mm，此時散熱器效率最高[6,7]。

2 熱仿真

利用電子設(shè)備熱仿真軟件6sigma簡化不必要的非熱敏器件，只建立熱敏器件、散熱器以及風(fēng)機等模型，簡化仿真模型，節(jié)省計算資源。對各熱敏器件附加熱耗、材料等信息，設(shè)置大氣環(huán)境參數(shù)，合理的細化計算網(wǎng)格[8]。通過熱仿真，得到圖2和圖3所示的溫度場和流場分布圖。

圖2 Y向截面溫度分布云圖

圖3 X向空氣流速云圖

從圖2可知，電源模塊熱敏器件最高殼溫88.4 ℃，有停機風(fēng)險；其余熱敏器件殼溫不超過80 ℃，滿足正常使用要求；電源模塊熱敏器件貼殼底散熱效果不理想，需優(yōu)化散熱路徑。

從圖3散熱器X向空氣流速云圖可以看出，各層間的空氣流速不均勻，會使通風(fēng)散熱的效率降低。究其原因，風(fēng)扇安裝后距設(shè)備后端空間太小，風(fēng)道進氣口和出氣口間壓強太大，空氣流通阻力大。因此，風(fēng)扇不能距設(shè)備后端太近，需調(diào)整安裝尺寸，增加風(fēng)道空間[9]。

針對以上結(jié)論提出優(yōu)化思路，將電源模塊的熱敏器件通過蓋板散熱，蓋板設(shè)計散熱齒，通過風(fēng)道內(nèi)的流動空氣將電源模塊的熱量散出去[10]。風(fēng)扇安裝后距設(shè)備后端尺寸分別改為35 mm、40 mm、45 mm以及50 mm，對上述4種工況進行熱仿真，對比仿真結(jié)果如表1所示。

表1 各種工況下的仿真結(jié)果對比

對比流場結(jié)果如圖4所示。

圖4 流場云圖對比

對上述電源模塊優(yōu)化后的散熱方案進行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的Y向截面溫度分布云圖

當(dāng)電源模塊內(nèi)熱敏器件改為貼蓋板散熱后，熱敏器件殼溫為80.7 ℃，符合使用要求。將風(fēng)扇安裝位置遠離設(shè)備本體后，風(fēng)量增加、風(fēng)阻減小，風(fēng)道內(nèi)流量更加均勻。仿真結(jié)果表明，風(fēng)扇距設(shè)備本體40 mm為最優(yōu)尺寸。

3 結(jié) 論

本文通過理論計算選取散熱器參數(shù)與風(fēng)扇參數(shù)，然后進行熱仿真，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化散熱方案。通過對優(yōu)化前后仿真結(jié)果的對比可知，針對此電子設(shè)備所選的風(fēng)扇安裝在設(shè)備后端40 mm處風(fēng)阻最小，風(fēng)道內(nèi)流量更加均勻。電源模塊在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的前提下，改變傳統(tǒng)的安裝形式，改為貼散熱器散熱，熱敏器件殼溫降低了7.7 ℃，符合預(yù)期。