模塊化綜合電子箱體內(nèi)傳熱分析與熱仿真研究

摘要：在軍用武器裝備綜合電子系統(tǒng)中，綜合電子箱體起到了連接固定、封裝防護(hù)、導(dǎo)熱散熱與電磁屏蔽等不可或缺的作用。然而，隨著電子元器件性能、功耗以及集成化程度的逐步提高，發(fā)熱元件附近熱量極易堆積，導(dǎo)致箱體內(nèi)實(shí)際工作溫度持續(xù)升高，這會(huì)極大地限制產(chǎn)品性能的釋放并引發(fā)一系列質(zhì)量及安全問題。鑒于此，針對某綜合電子系統(tǒng)內(nèi)高集成化與高功耗元件帶來的發(fā)熱問題，以某四槽模塊化LRMs機(jī)箱為研究對象，分析其內(nèi)發(fā)熱機(jī)理與熱量傳遞鏈路，并用數(shù)值仿真手段，探究不同冷卻方式對箱體內(nèi)熱量傳輸與功耗元件最高溫度的影響。

關(guān)鍵詞：綜合電子系統(tǒng)；LRMs機(jī)箱；熱量傳遞；熱仿真；最高溫度

中圖分類號：TJ03" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0036-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.010

0" " 引言

在各類武器裝備的綜合電子系統(tǒng)中，綜合電子箱體對系統(tǒng)內(nèi)線路與器件等發(fā)揮了連接固定、封裝防護(hù)、導(dǎo)熱散熱與電磁屏蔽等重要作用。隨著科技與兵器工業(yè)的發(fā)展，軍用電子設(shè)備的功能集成度越來越高，其對結(jié)構(gòu)外形的要求愈發(fā)緊湊。現(xiàn)場可更換模塊（Line Replaceable Module，LRM）為系統(tǒng)內(nèi)高集成、多功能單元，具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和電氣接口。在綜合電子箱體內(nèi)引入LRM模塊結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到共享系統(tǒng)資源，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)復(fù)雜性等效果[1-2]。但是，隨著電子元器件的封裝密度與功耗不斷提高，電子設(shè)備過熱的問題越來越突出，這嚴(yán)重地限制了電子產(chǎn)品性能及可靠性的提高，也縮短了設(shè)備的工作壽命。因此，綜合電子箱體設(shè)備內(nèi)的溫升情況必須予以重視并采取有效措施進(jìn)行控制[3]。

本文以某綜合電子系統(tǒng)內(nèi)四槽LRMs機(jī)箱為研究對象，針對多模塊內(nèi)所含功率元件熱耗較高的問題，分析該機(jī)箱內(nèi)具體散熱結(jié)構(gòu)與熱流鏈路，并結(jié)合實(shí)際要求為其設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱措施，進(jìn)而建立該機(jī)箱自然冷卻與強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種工況下的傳熱學(xué)仿真模型，模擬不同散熱方式所對應(yīng)箱體內(nèi)溫度分布與流場情況，為今后該類機(jī)箱散熱性能的研究與冷卻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1" " 幾何模型與熱阻網(wǎng)絡(luò)分析

1.1" " 模型的建立與簡化

本文的研究對象模型如圖1所示，該模型為某綜合電子系統(tǒng)內(nèi)四槽LRMs機(jī)箱。該機(jī)箱由上下左右前后六塊鋁合金面板拼接而成，底面四周有對地連接的四個(gè)支耳，箱體后面板上有對外電連接器，其余面板上設(shè)有減重與散熱凹槽，其內(nèi)部可在對應(yīng)定位槽位插入四個(gè)功能各異的通用LRM模塊，模塊由上下冷板、起拔器、鎖緊條等組成，內(nèi)設(shè)含有功耗芯片與器件的PCB板卡，功耗元件與LRM模塊冷板之間設(shè)有散熱凸臺(tái)和導(dǎo)熱硅膠墊，同樣LRM模塊前端面與前面板內(nèi)側(cè)之間也設(shè)有導(dǎo)熱膠墊。模塊通過起拔器、鎖緊條以及箱體槽道實(shí)現(xiàn)安裝時(shí)的定位與鎖緊。面對箱體前面板方向從左至右分別為1～4號LRM模塊，各LRM模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為便于進(jìn)行之后的熱阻網(wǎng)絡(luò)分析與傳熱學(xué)仿真，將上述模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，去掉各型號螺釘、螺紋孔，模塊內(nèi)的上下起拔器、部分鎖緊條，以及箱體與模塊內(nèi)外表面各類不規(guī)則邊沿倒角等，最終簡化模型如圖3所示。

由于該機(jī)箱內(nèi)元器件功耗較大，需要為其施加強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱措施，加之箱體內(nèi)部空間有限且箱體對電磁兼容特性與維修便攜性有要求，因此考慮將某型號離心風(fēng)扇安裝在前面板外側(cè)，并在面板上風(fēng)扇四周添加高密度散熱翅片，這樣即使氣流未進(jìn)入箱體內(nèi)，依然可以通過前面板外側(cè)的散熱翅片將熱量更高效地帶離箱體表面。施加風(fēng)冷措施后的機(jī)箱具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，其簡化后模型如圖5所示。

1.2" " 熱阻網(wǎng)絡(luò)分析

本小節(jié)對箱體內(nèi)的熱量流動(dòng)鏈路進(jìn)行分析，其熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖6所示。

由圖6可見，熱量從功耗元件散失到外界環(huán)境的過程大致分為三個(gè)環(huán)節(jié)：第一個(gè)環(huán)節(jié)是功耗元件將熱量從自身傳遞到LRM模塊冷板上，這個(gè)環(huán)節(jié)包括熱量通過芯片上方導(dǎo)熱凸臺(tái)與導(dǎo)熱硅膠墊直接傳遞至LRM模塊冷板，以及熱量經(jīng)PCB板鋪開后再通過模塊內(nèi)自然對流與輻射傳至LRM模塊冷板兩種路徑；第二個(gè)環(huán)節(jié)是LRM模塊外殼將熱量傳遞至箱體，這個(gè)環(huán)節(jié)的傳熱也有類似兩種具體鏈路，一種為熱流以導(dǎo)熱的方式從LRM模塊外殼前端面及其上下兩端鎖緊條處的左右兩側(cè)分別向箱體前面板和箱體槽道兩側(cè)之間傳遞，另一種路徑為LRM模塊殼體外表面通過箱體內(nèi)空氣自然對流與熱輻射將熱量傳遞至箱體內(nèi)表面；第三個(gè)環(huán)節(jié)即箱體與外界環(huán)境之間的換熱，這主要通過自然對流與熱輻射進(jìn)行。當(dāng)在前面板外側(cè)施加離心風(fēng)扇與高密度散熱翅片時(shí)，前面板外側(cè)與外界環(huán)境之間的熱傳遞則主要以強(qiáng)迫對流方式進(jìn)行，這使得第三個(gè)傳熱環(huán)節(jié)乃至總箱體的熱阻均有所降低，即整箱體散熱效率得到提高，最終其內(nèi)功耗元件穩(wěn)態(tài)時(shí)的最高溫度也會(huì)有所下降。

另外，圖6也展示了功耗芯片內(nèi)考慮詳細(xì)封裝（包括晶結(jié)、粘接劑、焊盤、基板、焊球等）的傳熱結(jié)構(gòu)以及PCB板內(nèi)考慮多層銅線的傳熱結(jié)構(gòu)，它們均對整個(gè)傳熱過程以及后續(xù)的仿真結(jié)果有著不可忽視的影響。

2" " 熱力學(xué)仿真與結(jié)果分析

2.1" " 網(wǎng)格劃分與模型設(shè)定

本項(xiàng)目選取Icepak軟件作為主要仿真工具，對已經(jīng)簡化的兩種機(jī)箱模型進(jìn)行適當(dāng)近似調(diào)整、分割等操作，將其轉(zhuǎn)化為全部由直線與直角所構(gòu)成的方形幾何體組合，并對模型內(nèi)PCB板、風(fēng)扇、風(fēng)扇罩等特殊結(jié)構(gòu)予以相應(yīng)定義。全局網(wǎng)格采用Icepak內(nèi)置的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對箱體內(nèi)LRM模塊部分與功耗元件部分用非連續(xù)性網(wǎng)格進(jìn)行加密。最終經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，該網(wǎng)格質(zhì)量較高且滿足仿真需要。

本四槽LRMs機(jī)箱各面板為鋁合金材料，其內(nèi)插各LRM模塊殼體也為鋁制，模塊內(nèi)含有FR4材料與多銅層混合制成的PCB板，通過賦予各層銅箔厚度與面積占比，可計(jì)算出PCB板平面方向與垂直于PCB板方向的導(dǎo)熱系數(shù)。面向前面板從左至右分別為1～4號LRM模塊，其中1號模塊內(nèi)發(fā)熱元件為電源模塊，熱功率為8 W，2～4號模塊內(nèi)發(fā)熱元件為高功耗芯片，發(fā)熱功率分別為17、25、17 W，功耗芯片的熱模型采取賦予其上下結(jié)殼熱阻的方法。在芯片與LRM模塊殼體之間以及模塊前端面與箱體前面板內(nèi)側(cè)之間均貼有導(dǎo)熱系數(shù)為6 W/（m·K）的導(dǎo)熱硅膠墊。風(fēng)扇的性能曲線根據(jù)實(shí)際廠家手冊所給PQ曲線賦予，且在軟件內(nèi)采用Grille功能設(shè)定風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口處的網(wǎng)罩來考慮其產(chǎn)生的流阻而不專門予以建模。

本仿真箱體所處環(huán)境溫度為45 ℃，求解時(shí)考慮了箱體內(nèi)外的自然對流，即開啟重力影響，空氣采用布辛涅司克假設(shè)，即僅在浮力項(xiàng)中考慮密度隨溫度的變化；另外也考慮了由風(fēng)機(jī)所帶來的前面板外表面翅片間的強(qiáng)迫對流以及箱體內(nèi)外的熱輻射，輻射模型采用Do模型，即通過求解輻射傳輸方程來模擬傳熱過程。具體參數(shù)及邊界設(shè)置如表1所示。

2.2" " 仿真結(jié)果與分析

2.2.1" " 溫度場結(jié)果與分析

在上述所設(shè)模型參數(shù)與工況下，仿真得到兩種箱體的穩(wěn)態(tài)溫度場分布分別如圖7和圖8所示，離心風(fēng)機(jī)對機(jī)箱內(nèi)溫度的影響效果對比如圖9所示。

圖7內(nèi)四圖表示同一個(gè)箱體，從左至右、由上至下分別表示對箱體上下左右側(cè)板、LRM模塊殼體及PCB板進(jìn)行透明處理以便觀察（圖8同理）。由圖可見，箱體最高溫處為97 ℃，位于3號LRM模塊內(nèi)的功率芯片表面，其他三個(gè)功耗元件溫度次之，在PCB板與LRM模塊上以功耗器件對應(yīng)位置處為中心溫度向四周逐步降低，機(jī)箱外殼溫度最低，且前半段溫度略高于后半段，整箱溫度最低為73 ℃。

圖8為離心風(fēng)機(jī)冷卻下箱體的溫度場云圖，該箱體的溫度分布情況和自然冷卻機(jī)箱大致相同，但機(jī)箱整體溫度有明顯下降，箱體內(nèi)溫度峰值處仍位于為3號LRM模塊內(nèi)芯片表面，此時(shí)該模塊內(nèi)功耗芯片表面溫度為78 ℃；箱體內(nèi)溫度最低點(diǎn)同樣位于箱體外殼上，最低溫為54 ℃，均相比箱體自然冷卻時(shí)降低了近20 ℃。另外，由圖可見，由于離心風(fēng)機(jī)工作所產(chǎn)生的氣體流線，且強(qiáng)迫對流氣體的溫度較低，其與機(jī)箱前面板上散熱翅片有明顯的溫度差，這也說明了該離心風(fēng)機(jī)與散熱翅片間的換熱效果良好。

圖9則將兩種冷卻方式的箱體溫度場云圖放入同一圖例內(nèi)，以便更好地展示風(fēng)機(jī)對機(jī)箱冷卻所產(chǎn)生的效果。

2.2.2" " 速度場結(jié)果與分析

為表示箱體外計(jì)算域內(nèi)氣體的流動(dòng)情況，繪制計(jì)算域內(nèi)貫穿箱體的某橫截面上的速度分布云圖，如圖10與圖11所示。

由圖10可見，未施加風(fēng)機(jī)冷卻時(shí)，箱體對外散熱主要依靠自然對流的方式進(jìn)行，即其周圍空氣受熱膨脹密度降低，在重力作用下向上流動(dòng)且逐步匯聚，并在計(jì)算域頂端受到邊界限制后向四周分散，自然對流的最高流速約為0.45 m/s。由圖11可見強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，沿著前面板內(nèi)離心風(fēng)扇出風(fēng)口射線方向和風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口旁氣流速度較高，風(fēng)機(jī)出口處局部峰值流速超過10 m/s，強(qiáng)迫冷卻空氣射流抵達(dá)計(jì)算域頂端時(shí)受壁面邊界限制向四周分散，同時(shí)箱體四周也存在自然對流現(xiàn)象。

在兩種散熱方式下箱體內(nèi)長度方向平均取五個(gè)橫截面，圖12為橫截面上空氣流速云圖。由圖可見，在箱體內(nèi)各LRM模塊之間、模塊內(nèi)以及模塊后與后面板之間這些空腔內(nèi)也均存在自然對流現(xiàn)象輔助換熱。由于LRM模塊內(nèi)與模塊之間空間狹窄，空氣流動(dòng)區(qū)域近乎占滿整個(gè)空間，而在LRM模塊后與箱體后面板之間的較大空間區(qū)域內(nèi)，空氣流動(dòng)區(qū)域呈現(xiàn)環(huán)形，只分布在箱體上下左右側(cè)壁表面。另外，兩種箱體腔內(nèi)流速差異不明顯，最高速度為0.08 m/s，遠(yuǎn)小于箱體外計(jì)算域內(nèi)的空氣流速。

3" " 總結(jié)與展望

在當(dāng)今武器裝備綜合電子系統(tǒng)內(nèi)發(fā)熱問題與散熱壓力日益凸顯的背景下，本文以內(nèi)含多功耗元件的某綜合電子四槽LRMs機(jī)箱為研究對象，分析其內(nèi)部熱流傳遞鏈路，進(jìn)而建立自然冷卻與強(qiáng)迫風(fēng)冷兩種散熱措施下箱體的熱仿真模型。由仿真結(jié)果可以看出，強(qiáng)迫風(fēng)冷措施有效降低了箱體內(nèi)功耗芯片表面溫度，降幅可達(dá)近20 ℃，這不僅提高了該產(chǎn)品工作時(shí)的可靠性，還拓寬了其適用環(huán)境溫度范圍，對今后該類電子箱體的設(shè)計(jì)與熱性能評估有著指導(dǎo)意義。

更進(jìn)一步地，對于該類綜合電子箱體的散熱仿真技術(shù)在未來的研究方向而言，一方面，可以逐步細(xì)化并根據(jù)實(shí)驗(yàn)修正熱模型，使其越來越準(zhǔn)確真實(shí)；另一方面，也可通過大量的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)探究該類綜合電子箱體內(nèi)多因素對溫度的影響，建立散熱特性關(guān)聯(lián)式或數(shù)據(jù)庫，提出正向熱設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。

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收稿日期：2024-10-23

作者簡介：王澤林（1997—），男，陜西人，助理研究員，研究方向：綜合電子箱體結(jié)構(gòu)與傳熱學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。