張 杰，郭建平，張理達(dá)，文 雯

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710076)

0 引 言

隨著當(dāng)今產(chǎn)品系統(tǒng)的集成度越來(lái)越高，目前電子設(shè)備也在向著大功耗、高熱密度的方向發(fā)展。有研究表明，如果電子元器件長(zhǎng)時(shí)間在其許用溫度附近工作，其壽命將大大縮減，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)直接燒毀，極大地影響電子設(shè)備的正常工作，因此電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)著重要地位。

一般認(rèn)為當(dāng)電子設(shè)備熱流密度超過(guò)2 W/cm2時(shí)，就需要采取強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式[1]。目前電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷主要有環(huán)控供風(fēng)和自帶風(fēng)機(jī)供風(fēng)兩種方式，相比自帶風(fēng)機(jī)供風(fēng)來(lái)說(shuō)，環(huán)控供風(fēng)的可控性較差，并且限制條件較多，往往用于緊急情況下關(guān)鍵模塊的散熱[2]。當(dāng)采用自帶風(fēng)機(jī)供風(fēng)方式時(shí)，需要考慮機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)阻，以確定選用合適的風(fēng)機(jī)型號(hào)，同時(shí)還要合理地設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)安裝位置，為確保能夠滿足產(chǎn)品正常工作的散熱需求，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中往往需要對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真分析[3]。

筆者針對(duì)側(cè)壁風(fēng)冷機(jī)箱，建模得出一種新型散熱結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用Flothem軟件進(jìn)行熱仿真后，得出了機(jī)箱內(nèi)部流場(chǎng)以及關(guān)鍵部位溫度，為整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠性依據(jù)。

1 熱仿真模型

1.1 模型及網(wǎng)格劃分

文中在考慮了仿真計(jì)算時(shí)間、仿真結(jié)果準(zhǔn)確性以及保證仿真精度的前提下，對(duì)原有的物理模型局部結(jié)構(gòu)通過(guò)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的整機(jī)三維模型如圖1(a)、(b)所示。

圖1 側(cè)壁風(fēng)冷機(jī)箱三維模型

機(jī)箱共自帶6組風(fēng)機(jī)對(duì)6個(gè)模塊進(jìn)行冷卻，其中中間通道的3個(gè)模塊帶有散熱翅片，風(fēng)機(jī)部分氣流吹至散熱翅片后由機(jī)箱前方吹出。左右兩邊的3個(gè)模塊殼體無(wú)對(duì)應(yīng)散熱翅片，因此主要依靠?jī)蓚?cè)的鎖緊塊鎖緊后的熱傳導(dǎo)將熱量傳遞至機(jī)箱上下側(cè)板，最后由機(jī)箱側(cè)壁氣流帶走熱量。機(jī)箱風(fēng)道結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，首先設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為2 mm，再對(duì)局部重點(diǎn)關(guān)注的換熱區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化后整機(jī)網(wǎng)格總數(shù)約為683萬(wàn)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖2 機(jī)箱內(nèi)部風(fēng)道冷卻結(jié)構(gòu) 圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.2 邊界條件

整機(jī)功耗約為288 W,6個(gè)模塊的功耗分別為46 W、46 W、50 W、50 W、50 W、46 W,機(jī)箱及模塊結(jié)構(gòu)件材料均為鋁合金6061，選用導(dǎo)熱系數(shù)為2.8 W/m·K的導(dǎo)熱墊，環(huán)境溫度為70 ℃，所采用的風(fēng)機(jī)cfm特性曲線如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)CFM曲線

2 仿真結(jié)果分析

機(jī)箱內(nèi)部氣流流線如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)位于機(jī)箱中間的兩組風(fēng)產(chǎn)生的氣流直接吹向?qū)χ虚g模塊直接進(jìn)行散熱，由于散熱通道風(fēng)阻較小，因此風(fēng)速明顯較大；其余四組風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量一部分吹向機(jī)箱上側(cè)壁，另一部分通過(guò)機(jī)箱中隔板的內(nèi)部通道吹至機(jī)箱下側(cè)板，進(jìn)而帶走兩側(cè)模塊產(chǎn)生的熱量，此散熱通道風(fēng)阻較大，風(fēng)速明顯較中間兩組風(fēng)機(jī)小。

圖5 機(jī)箱內(nèi)部氣流流線

從設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果中可以看出由于側(cè)壁風(fēng)冷傳遞熱阻較直接風(fēng)冷大，因此可以發(fā)現(xiàn)機(jī)箱帶有散熱翅片的中間3個(gè)模塊散熱效果較好，兩側(cè)MK1及MK6模塊的散熱效果則較差。

圖6 計(jì)算收斂結(jié)果

圖7 機(jī)箱兩側(cè)模塊關(guān)鍵芯片殼溫

由于整機(jī)的6個(gè)模塊功耗較為接近，后續(xù)只對(duì)散熱效果較差的MK1及MK6進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。圖7分別展示了機(jī)箱模塊MK1及MK6中PCB板溫度云圖，可以看出在70 ℃環(huán)境溫度下，機(jī)箱兩側(cè)模塊MK1及模塊MK6關(guān)鍵芯片局部最高溫度分別為101 ℃，100 ℃，芯片最大許用工作溫度為115 ℃，因此從熱仿真結(jié)果來(lái)看，機(jī)箱采用側(cè)壁風(fēng)冷結(jié)構(gòu)可以滿足整機(jī)的散熱需求。

3 結(jié) 語(yǔ)

使用Flothem對(duì)側(cè)壁風(fēng)冷機(jī)箱進(jìn)行了熱仿真，得到了機(jī)箱內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)及模塊內(nèi)部芯片溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合傳熱學(xué)理論評(píng)估了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。在環(huán)境溫度為70 ℃時(shí)，各模塊芯片溫度均未超出最高許用溫度，滿足了各設(shè)計(jì)工況下的散熱要求，同時(shí)機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)部流線分布均勻，說(shuō)明機(jī)箱風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理[4]。從仿真結(jié)果來(lái)看，下一步可考慮將機(jī)箱中部及兩側(cè)風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使機(jī)箱兩側(cè)模塊散熱效果得到提升。