辛佳興，陳金忠，李守寶，馬義來，朱宏武，李曉龍

(1.中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院，北京 102249； 2.中國特種設(shè)備檢測研究院壓力管道事業(yè)部，北京 100029)

電子設(shè)備被用于民用、軍事等各領(lǐng)域，隨著技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備朝著功能集成化、小型化方向發(fā)展，但同時對設(shè)備的可靠性和惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性要求不斷提高[1]。功能的不斷增大導(dǎo)致設(shè)備單位體積產(chǎn)熱量越來越高[2]。相關(guān)研究表明，電子設(shè)備失效原因中，有近60%是由于高溫導(dǎo)致電路連接界面損傷造成導(dǎo)體阻值上升，形成應(yīng)力損傷造成[3]。因此，大功率和高集成度條件下，如何將電子元器件短時間形成的大量熱量得到疏散，保證元器件運行環(huán)境在一個相對穩(wěn)定溫度場下成為保證各類機械電子設(shè)備可靠運行的一個主要研究方向[4-6]。本文以某一通信機械電子設(shè)備為對象，通過熱仿真軟件Flotherm軟件分析了設(shè)備在運行環(huán)境下空氣溫度場，為機箱電路板器件進一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 熱分析模型構(gòu)建

1.1 物料模型

本文針對國內(nèi)某一機械通信設(shè)備為對象，機箱采用2U系統(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。采用直通風(fēng)設(shè)計，進出口采用60%開孔率大孔板，風(fēng)扇盤采用60 mm×60 mm×25.4 mm的三風(fēng)扇周六風(fēng)機，風(fēng)扇入口安裝濾網(wǎng)防塵。整個機箱包括兩塊125 mm×220 mm×2 mm的NT板、四塊260 mm×220 mm×2 mm的LT板和一個125 mm×220 mm×2 mm的AC電源。

圖1 機箱模型結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)值模擬構(gòu)建

在Flotherm中建立圖1所示機箱模型后，設(shè)置模型的初始條件。其中機箱框架材料為純鐵，內(nèi)部金屬面板為鋁制材質(zhì)，芯片散熱器采用鋁合金材質(zhì)。機箱中各電子元件能耗見表1所示。整個機箱總發(fā)熱量為183.7 W。當(dāng)極限外部溫度達(dá)到55 ℃時，此時機箱風(fēng)扇全部運轉(zhuǎn)，最大風(fēng)壓0.23inH2O，最大風(fēng)量25CFM，由于此時機箱內(nèi)物體邊界溫度差異較小，因此，各元件傳熱以熱傳遞為主，忽略熱輻射的作用。

表1 機箱電子元器件功耗 W

考慮機箱內(nèi)各元件幾何尺寸偏差較大，采用“none”來執(zhí)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)物體幾何邊界進行區(qū)分，采用正交技術(shù)，并嵌入Cut cell網(wǎng)格切割技術(shù)來進行網(wǎng)格的進一步細(xì)化，減少求解時間。將這個模型劃分為34 355個網(wǎng)格，484 367個節(jié)點，最大長寬比為16.25。如圖2所示為機箱網(wǎng)格細(xì)化。

圖2 不同板塊網(wǎng)格劃分

根據(jù)建立好的網(wǎng)格劃分模型，確定模型的邊界條件：①環(huán)境溫度55 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；②鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)202 W/m·K，鋁質(zhì)材料導(dǎo)熱系數(shù)237 W/m·K，塑料封裝芯片導(dǎo)熱系數(shù)6.5，導(dǎo)熱墊片熱阻2 W/m·K，空氣隙導(dǎo)熱系數(shù)0.026 7 W/m·K；③空氣密度1.2 kg/m3，比熱1 007 J/kg·℃。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

圖3為機箱內(nèi)主要板卡的溫度分布場?？梢园l(fā)現(xiàn)，NT板上的Chip1點溫度最高，而LT板的Chip2、Chip3和Chip44次之。盡管Chip1位于風(fēng)扇出風(fēng)口，周邊溫度相對較低，但由于LT板上分布的芯片較多，各芯片的功耗達(dá)6W，因此可能造成較高的溫度。而Chip2、Chip3和Chip4形成較高的溫度是由于LT板各類元氣騎處于流場下游出風(fēng)口，環(huán)境溫度較高，使得器件導(dǎo)熱效果下降，散熱環(huán)境惡化，且該位置的發(fā)熱元件較為集中，相互影響。

圖3 機箱面板表面溫度場

圖4給出了機箱沿X軸向0.399 m和Y軸向0.081 m向的溫度場分布情況。其中紅色框為Chip1和Chip44位置，從圖4中可以看出，Chip1溫度已經(jīng)達(dá)到了100 ℃，且截面右上方空氣場溫度也相對較高，盡管該區(qū)域存在大量發(fā)熱元件，但發(fā)熱量不大，可能是由于該區(qū)域上游氣流受到阻礙，導(dǎo)致冷卻環(huán)境惡化，使得周圍空氣溫度不斷上升造成[7]。比較兩個位置溫度場可以發(fā)現(xiàn)，順著流線方向，芯片Chip44溫度逐漸上升，一方面可能是由于空氣溫度加熱，另外方面也可能是相鄰發(fā)熱芯片相互影響作用引起，因此，在空間容許條件下，可通過叉拍來消除芯片間的不利影響。

圖4 切線溫度分布云圖

圖5為機箱出口截面空氣溫度分布場，可以看出，空氣出口溫度場范圍保持在59.5～86.5 ℃，溫度波動范圍相對較大，最高溫度易引起機箱出口位置元件的散熱不均。同時，截面平均溫度為75.6 ℃，相對來講散熱難度還是相對較大。

圖5 機箱出口空氣溫度場分布

通過熱仿真分析機箱類主要元器件的實際溫度和最高溫度如表2所示?？梢钥闯?，最高溫度出現(xiàn)在NT2的Chip1位置，最高溫度為106.42 ℃，LT4板的Chip44表面溫度場次之，最高溫度為101.32 ℃。其余各元件表面溫度均在100 ℃以下。考慮到不同芯片的功效和機箱的整體溫度場分布，建議溫度場控制在120 ℃以下為宜，若同時考慮設(shè)計余量溫度，設(shè)計芯片最高溫度值為110 ℃，因此，當(dāng)所有元器件溫度在110 ℃以內(nèi)時，則能夠保證機箱的熱設(shè)計能夠滿足基本使用要求。從當(dāng)前的測試結(jié)果可以看出，盡管發(fā)熱元器件最高溫度均在110 ℃以下，但機箱內(nèi)的溫度場分布存在較大的不均勻性，且對冷卻介質(zhì)的利用率較大，導(dǎo)致Chip1和Chip44位置的芯片溫度過高，且不同元器件間形成了較大的溫度差，因此，需要對機箱熱設(shè)計部分進行優(yōu)化。

表2 機箱各主要元器件最高溫度

2.2 通信機箱散熱設(shè)計優(yōu)化

考慮到機箱內(nèi)流場分布不均導(dǎo)致的局部熱負(fù)荷偏差較大問題，對機箱版面元件進行布局優(yōu)化來解決Chip1存在的高溫問題，圖6為機箱NT板上的新布局方案，其中虛線方框部分為發(fā)熱元件Chiip1，將該元件上移至NT板風(fēng)速較大區(qū)域，利用風(fēng)扇冷風(fēng)來降低芯片熱量，在提高空氣利用率同時提高Chip1散熱效率。

通過模擬計算箱體總流量20.636 72CFM，與初始設(shè)計方案總流量偏差較小。計算得到機箱沿Y軸向0.081 m處的空氣速度方向，如圖7所示，可見Chip1周邊空氣速度由最初的0.2 m/s提升到1.6 m/s，元件周邊空氣速度增幅明顯，空氣擾動性增強，元器件與周邊環(huán)境換熱效率增加，從而降低了Chip1元器件溫度。

圖6 優(yōu)化機箱面板布局圖

圖7 Y軸向切面速度云圖

表3為通過Table獲得的機箱各主要元器件溫度場。經(jīng)過方案優(yōu)化的Chip1溫度大幅下降，尤其是位于NT2面板上的Chip1溫度相對初始設(shè)計方案的最高溫度，下降了21.5 ℃，最高溫度僅為85.21 ℃，可見優(yōu)化方案滿足了預(yù)期要求。同時其他各類元器件溫度場變化幅度保持在1 ℃范圍，溫度變化不大，可基本忽略。通過方案優(yōu)化后，將Chip1溫度成功降低到100 ℃以下，此時Chip44元器件溫度最高，最高溫為101.51 ℃，解決了局部溫度不均的問題。

表3 機箱各主要元器件最高溫度

3 結(jié) 論

(1)利用Flotherm軟件對機械通信機械溫度場進行分析，機箱NT2板上的Chip1點溫度最高，最高溫度為106.31 ℃，LT4板的Chip44表面溫度場位置溫度次之，溫度為101.32 ℃。機箱各發(fā)熱元器件滿足使用要去，但溫度場分布存在不均勻性，且對冷卻介質(zhì)的利用率較大，導(dǎo)致Chip1和Chip44位置的芯片溫度過高。

(2)對原有設(shè)計方案進行優(yōu)化，將Chiip1發(fā)熱元件上移至NT板風(fēng)速較大區(qū)域，利用風(fēng)扇冷風(fēng)來降低芯片熱量，在提高空氣利用率同時提高Chip1散熱效率。仿真結(jié)果表明，NT2面板上的Chip1最高溫度僅為85.21 ℃，優(yōu)化方案滿足了預(yù)期要求。同時其他各類元器件溫度場變化幅度保持在1 ℃范圍，各元器件溫差范圍縮小，有效解決了局部溫度不均問題。