黃居鋒，趙穎穎

(中國航天科工集團三十一研究所高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室， 北京 100074)

異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析研究*

黃居鋒，趙穎穎

(中國航天科工集團三十一研究所高超聲速沖壓發(fā)動機技術(shù)重點實驗室， 北京 100074)

建模和網(wǎng)格劃分一直是電子設(shè)備, 尤其是異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析過程中的難題，迄今為止還未見有效的方法。文中根據(jù)導(dǎo)熱和對流換熱的基本規(guī)律，提出了異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型簡化的方法，得出了異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型的重要參數(shù)。通過算例驗證了文中所提出的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型簡化方法的合理性，并且通過試驗驗證了文中所進行的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析的正確性和有效性。

異形結(jié)構(gòu)；電子設(shè)備；模型簡化；熱分析

引 言

在電子設(shè)備的常見故障中，因電子設(shè)備的溫度過高而導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作的比例高達50%～60%，過熱損壞已成為電子設(shè)備的主要故障形式。因此對電子設(shè)備進行熱設(shè)計,實施有效的熱控制是提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。對于航天領(lǐng)域的電子設(shè)備，因使用的特殊性，要求其體積小、重量輕、可靠性高，對其進行熱設(shè)計顯得尤為重要。大多數(shù)航天發(fā)動機電子控制設(shè)備都安裝在發(fā)動機或者飛行器上，因安裝空間的限制，產(chǎn)品的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本上都是異形的。這些異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備，在熱分析時的建模和網(wǎng)格劃分都非常困難，且在用軟件分析時，需要足夠多的網(wǎng)格才能達到計算精度，計算過程中就需要海量的運算，在工程中應(yīng)用非常困難。為此，研究異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析問題具有非?，F(xiàn)實的工程背景和重要的理論意義。

目前，關(guān)于電子設(shè)備熱分析問題已有一些研究成果：文獻[1]對電子設(shè)備熱分析技術(shù)進行了概述，并在實驗室內(nèi)針對典型的板級物理模型進行了熱分析；文獻[2]著重介紹了熱分析的有限體積法，并對某標(biāo)準(zhǔn)ATR機箱進行了穩(wěn)態(tài)分析；文獻[3]介紹了運用有限元法進行電子設(shè)備自然散熱設(shè)計計算機仿真的原理和方法，并對某功放模塊進行了熱分析；文獻[4]和[5]分別對電子設(shè)備的板級結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計進行了研究。然而，現(xiàn)在所看到的文獻都是對板級模型或規(guī)則結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備進行的熱分析，有關(guān)異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析問題的研究迄今尚無文獻報道。

本文以異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備為對象，研究異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型的簡化方法，并對某彈載發(fā)動機電子控制單元進行了熱分析。最后通過試驗驗證了本文所提出的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析方法的合理性以及所進行的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析的正確性和有效性。

1 異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型簡化方法

本文所研究的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備為密封的電子設(shè)備，采用自然散熱，主要由異形機箱、異形PCB板、發(fā)熱器件、異形散熱器等組成，其中異形散熱器是根據(jù)電子設(shè)備的實際結(jié)構(gòu)自行設(shè)計的，形狀不規(guī)則。

1.1 異形散熱器模型的簡化方法

對于密封的電子設(shè)備，其內(nèi)部的對流和輻射都比較困難，傳導(dǎo)就成為主要的散熱手段。為了使大功率發(fā)熱器件的熱量盡快傳導(dǎo)出去，大功率的發(fā)熱器件應(yīng)直接安裝在散熱器上，在發(fā)熱器件和散熱器之間采取絕緣措施，且要保證散熱器與機箱相連接。

根據(jù)傅利葉定律[6]，可以給出導(dǎo)熱的基本規(guī)律。該定律指出：在純導(dǎo)熱過程中，通過物體的熱流量與該處的溫度梯度和垂直于熱流方向的導(dǎo)熱面積成正比。其數(shù)學(xué)表達式為

(1)

由式(1)可以得出：

(2)

從式(2)可以看出,發(fā)熱器件的溫度變化量與垂直于溫度梯度矢量方向的導(dǎo)熱面積成反比,與溫度梯度矢量方向的距離成正比，因而垂直于溫度梯度矢量方向的導(dǎo)熱面積和溫度梯度矢量方向的距離是異形散熱器的重要參數(shù)，因此異形散熱器簡化前后的這2個參數(shù)應(yīng)該保持一致。

1.2 異形機箱模型的簡化方法

異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備內(nèi)的熱量主要是通過機箱安裝座進行的熱傳導(dǎo)和機箱外表面與外界的對流散掉的，為使盡量多的熱量擴散到空氣中，只能通過增大散熱面積來實現(xiàn)，故機箱的外表面大都被加工成板翅形狀，從而增大機箱的自然散熱面積，增強機箱與外界的對流換熱。

對流換熱是一種十分復(fù)雜的換熱過程，因此，分析對流換熱實際上就是研究各種因素對它的影響。人們常用牛頓冷卻公式來簡化對流換熱與各因素之間的關(guān)系，即

Q=h·A·Δt

(3)

式中：A為對流換熱面面積，m2；Δt為流體與壁面的溫差，℃；h為對流換熱系數(shù)， W/(m2·℃)。

從式(3)可以看出，對流換熱量與換熱面積成正比。從式(2)和式(3)可以看出，異形機箱的熱傳導(dǎo)面和外表面是異形機箱的重要參數(shù)，因此，異形機箱的簡化應(yīng)保證異形機箱的熱傳導(dǎo)面和外表面在簡化前后保持一致。

1.3 異形PCB板的簡化方法

異形PCB板主要由印制板和發(fā)熱器件組成，影響PCB板溫度分布的因素主要是發(fā)熱器件的分布和異形印制板的導(dǎo)熱系數(shù)。異形印制板的導(dǎo)熱系數(shù)λeq計算公式為

(4)

式中：λi為第i層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；hi為第i層的厚度，m；i%為第i層占PCB板面積的百分比。

從式(4)可以看出，異形PCB板的導(dǎo)熱系數(shù)與印制板各導(dǎo)熱層的厚度以及各導(dǎo)熱層的面積有關(guān)，因而印制板各導(dǎo)熱層的厚度、各導(dǎo)熱層的面積和發(fā)熱器件的分布是異形PCB板的重要參數(shù)，因此異形PCB板的簡化應(yīng)保證印制板各導(dǎo)熱層的厚度、各導(dǎo)熱層的面積和發(fā)熱器件的分布在簡化前后保持一致。

2 算例

依據(jù)上述異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型簡化方法，對某彈載發(fā)動機電子控制單元進行了建模，并用Ansys-Icepak軟件進行了熱分析，對電子控制單元內(nèi)關(guān)鍵器件及機箱表面的溫度與試驗數(shù)據(jù)作了對比。

2.1 問題描述

異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備為某彈載發(fā)動機電子控制單元，安裝在彈載發(fā)動機上，電子控制單元外形成60°角圓弧狀，總的耗散功率為44.5 W，外部環(huán)境溫度為試驗測得的溫度，分別是后壁面環(huán)境92 ℃、前壁面環(huán)境42 ℃、其余表面溫度50 ℃。整個產(chǎn)品為密封結(jié)構(gòu)，采用自然散熱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子控制單元結(jié)構(gòu)圖

2.2 模型簡化

根據(jù)文中提出的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型簡化方法，分別對電子控制單元的散熱器、機箱和PCB板進行了簡化，簡化前后的模型對比如圖2所示。

圖2 散熱器、機箱和PCB板簡化模型對比

將簡化后的電子控制單元散熱器、機箱和PCB板導(dǎo)入Ansys-Icepak軟件中，建立發(fā)熱器件模型，電子控制單元整機簡化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電子控制單元整機簡化模型

2.3 仿真分析

利用Ansys-Icepak軟件對電子控制單元進行了1 000 s的瞬態(tài)分析，分別輸出了電子控制單元機箱表面(上表面、前壁面、后壁面)和內(nèi)部關(guān)鍵器件的溫度(Tint、Ttr)，溫度變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 電子控制單元關(guān)鍵器件的溫度仿真曲線

圖5 電子控制單元機箱表面的溫度仿真曲線

2.4 試驗驗證

為了驗證本文所提出的異形電子設(shè)備熱分析模型簡化方法的正確性以及對某彈載發(fā)動機電子控制單元進行的熱分析結(jié)果的合理性，對電子控制單元進行了試驗驗證，在試驗過程中對關(guān)鍵器件及機箱表面溫度進行了監(jiān)測，并把分析數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)進行了對比。試驗數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示，試驗數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)對比見表1。

圖6 電子控制單元關(guān)鍵器件的溫度試驗曲線

圖7 電子控制單元機箱表面溫度試驗曲線

測點計算數(shù)據(jù)/℃試驗數(shù)據(jù)/℃Tint6463Ttr5556后壁面6970上表面5255前壁面3940

從試驗數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)對比看出：電子控制單元關(guān)鍵器件和機箱表面的溫度值在達到平衡時基本相同，表明分析結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確度；分析數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)溫度曲線的變化趨勢基本一致。由于分析模型的環(huán)境溫度設(shè)置為穩(wěn)定溫度，而試驗的環(huán)境溫度是逐步上升后達到穩(wěn)定的，因此在分析數(shù)據(jù)中溫度上升較快。

3 結(jié)束語

垂直于溫度梯度矢量方向的導(dǎo)熱面積和溫度梯度矢量方向的距離是散熱器的重要參數(shù)，散熱器簡化前后的這2個參數(shù)應(yīng)該保持一致；機箱的安裝面和機箱的外表面是機箱的重要參數(shù)，異形機箱簡化前后這2個參數(shù)應(yīng)該保持一致；大功率器件的分布和印制板的導(dǎo)熱系數(shù)是PCB板的重要參數(shù)，PCB板簡化前后這2個參數(shù)應(yīng)該保持一致。算例結(jié)果表明：本文提出的異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備熱分析模型簡化方法是合理的，利用該方法能夠方便地分析出異形結(jié)構(gòu)電子設(shè)備的溫度情況，從而推動熱分析技術(shù)的工程實用化。

[1] 付桂翠. 電子設(shè)備熱分析技術(shù)研究[J]. 電子機械工程, 2004,20(1):13-16.

[2] 付桂翠. 高可靠性航空電子設(shè)備熱分析中的有限體積法[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006,32(6):716-720.

[3] 周敏. 某電子設(shè)備的自然散熱的設(shè)計仿真[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗, 2001(4): 27-30.

[4] 朱金彪. 一種星載電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 電子機械工程, 2008,24(4):11-13.

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[6] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社,1998.

黃居鋒(1978-)，男，碩士，高級工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、熱分析工作。

Thermal Analysis of the Electronic Device with Special-shaped Structure

HUANG Ju-feng，ZHAO Ying-ying

(ScienceandTechnologyonScramjetLaboratory,the31stResearchInstituteofCASIC,Beijing100074,China)

Model building and grid division are always difficult problems in the thermal analysis process of the electronic device, especially the electronic device with special-shaped structure. No efficient method has been available up to now. According to the fundamental law in heat conduction and convection, the simplification method of the thermal analysis model of the electronic device with special-shaped structure is proposed and its important parameters are obtained in this paper. Finally, one example is given. The example and test show that the simplification method of the thermal analysis model in the paper is rational and efficient.

special-shaped structure; electronic device; model simplification; thermal analysis

2012-12-13

V243

A

1008-5300(2013)02-0024-03