吳紫光， 蔡錦華， 王巍峰， 朱丹江

（江西聯(lián)創(chuàng)精密機電有限公司，南昌330096）

1 引 言

隨著電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形的日趨小型化，其功耗卻越來越高，散熱問題引起產(chǎn)品故障的可能性越來越大。統(tǒng)計表明，電子產(chǎn)品故障發(fā)生的原因，有55%以上是因冷卻系統(tǒng)設(shè)計不良所導(dǎo)致［1］。

散熱是熱量傳遞的過程，它有兩個基本規(guī)律：（1）熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)；（2）高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。熱量傳遞通常通過三種方式進(jìn)行：導(dǎo)熱、對流和輻射。目前，工程師一般采用熱電模擬法進(jìn)行熱量傳遞問題分析。

2 熱電模擬法

熱電模擬法是利用電路網(wǎng)絡(luò)來表示熱量傳遞路徑，處理熱量傳遞的問題。同時該法也有利于計算機進(jìn)行熱仿真分析。

2.1 熱電模擬方法

將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻；熱導(dǎo)模擬為電導(dǎo)；熱沉模擬成大地，其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化，熱沉可以是大氣或大體積的水等。

2.2 熱阻的確定

熱阻是熱量傳遞路徑上的阻力，其基本計算公式為：

式中，Δt-換熱表面與流體的溫差，℃；Rt-整個傳熱面積上的熱阻；Φ-熱流量，W。

由式（1）可以分別寫出導(dǎo)熱、對流和輻射換熱過程的熱阻計算公式（推理過程略）。

式中，δ-平壁厚度，m；λ-平壁的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；A-導(dǎo)熱面積，m2。

式中，hc-對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

式中，hr-輻射換熱系數(shù)，W/（m2·℃)。

3 冷卻方法的選擇

冷卻方法按傳熱機理分，可分為自然冷卻、強迫冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱電致冷、熱管傳熱等。選擇冷卻方法時，應(yīng)考慮下列因素：產(chǎn)品的熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、工作環(huán)境條件、熱沉及其它特殊條件等。熱流密度及體積功率密度計算公式如下：

式中，φ-熱流密度，W/m2；C-系數(shù)；D-特征尺寸，m。

式中，φV-體積功率密度，W/m3；V-機柜體積，m3。

圖1 為溫升40℃時，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值。

4 實例分析

4.1 產(chǎn)品介紹及反饋的問題

某圖像處理設(shè)備的功能是實現(xiàn)大型圖片的高質(zhì)量拼接，產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。在調(diào)試過程中，操作人員反饋了如下兩個問題：（1）內(nèi)、外腔的貼合面處，溫度明顯高于其它未貼合面；（2）產(chǎn)品連續(xù)工作2h 左右，內(nèi)部用于強迫風(fēng)冷的風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動。

圖1 各種冷卻方法的比較

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

4.2 工作環(huán)境及狀態(tài)

設(shè)備在室溫下工作，主要發(fā)熱部件有：控制板、風(fēng)扇、內(nèi)腔及電源模塊?？刂瓢逵糜诳刂骑L(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，控制板設(shè)置的臨界溫度為35℃，即腔體內(nèi)的溫度達(dá)到35℃時，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動。在整個工作過程中，風(fēng)扇沒工作，因此控制板及風(fēng)扇的發(fā)熱可以忽略。內(nèi)腔是一個封閉單元，里面有3塊PCB 板，其中1 塊底板，2 塊業(yè)務(wù)板，總功率約為50W；在2 塊業(yè)務(wù)板的主要發(fā)熱元件上，均裝有型材散熱器。電源模塊為開關(guān)電源，將220VAC 轉(zhuǎn)換成PCB 板工作所需的5VDC，其功耗遠(yuǎn)小于50W，因此此處不將其作為分析對象。

4.3 散熱過程分析

內(nèi)腔是個封閉單元，其尺寸為133mm×251.5mm×230mm，內(nèi)部3 塊PCB 板的功率約為50W。根據(jù)式（5）與式（6），計算內(nèi)腔的熱流密度及體積功率密度：

將計算結(jié)果與圖1 比較，可知內(nèi)腔采用自然空氣冷卻的方法可行。

本例的傳熱路徑：內(nèi)腔中熱量通過內(nèi)腔6 個面，采用三種方式傳遞到外腔內(nèi)表面，再通過傳導(dǎo)方式將熱量傳遞到外腔外表面，最后散發(fā)到大氣中，圖3 為內(nèi)腔示意圖。內(nèi)腔與外腔之間通過壓鉚螺釘連接，貼合面為bcc1b1面及cdd1c1面。

下面利用熱電模擬法對傳熱路徑進(jìn)行分析，圖4 為傳熱路徑圖。

圖4 中Rfi（i=1，2，…，6）分別對應(yīng)abb1a1、abcd、cdd1c1、a1b1c1d1、cbb1c1及aa1d1d 各面向外腔內(nèi)表面?zhèn)鬟f熱量的路徑熱阻，Rji（i=1，2，…，6）為內(nèi)腔各面對應(yīng)的外腔壁熱阻。在大氣溫度為20℃、內(nèi)腔黑度為0.82，外腔黑度為0.94，外腔導(dǎo)熱系數(shù)為14.9W/（m·℃）、溫升為40℃時，計算得到Rfi及Rji見表1。

從表1 看出，外腔各面熱阻Rji約為0，因此熱量傳遞路徑的選擇取 決 于 Rfi。cdd1c1及cbb1c1面是熱阻最小，這兩面均是內(nèi)、外腔的貼合面，符合反饋的第一個問題結(jié)果；控制板上的溫度傳感器與abcd 面對應(yīng)，而該面熱阻較大，且溫度傳感器的面積小，因此傳遞過去的熱量不足以使傳感器達(dá)到設(shè)置的工作溫度，符合反饋的第二個問題。

圖3 內(nèi)腔示意圖

圖4 傳熱路徑圖

表1 Rfi 及Rji 的計算結(jié)果 /℃·W-1

4 結(jié) 語

通過上述分析，本文得出如下結(jié)論：

（1）在產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對其進(jìn)行散熱分析，可以校核結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，最大程度地提高電子設(shè)備的工作可靠性；

（2）cdd1c1及cbb1c1面的理想狀態(tài)熱阻為0，但實際加工中，兩貼合面上會存在一些間隙，因此在兩貼合面上涂導(dǎo)熱膠（膏），可有效彌補加工問題帶來的影響；

（3）要實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，使外腔內(nèi)的空氣加劇對流，可將控制板靠近內(nèi)腔體安裝或?qū)囟葌鞲衅骶o貼內(nèi)腔外壁。

［1］ 李琴，等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用［J］.計算機輔助工程，2005，14（2）：50-52.

［2］ GJB/Z 27-92，電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊［S］.