李飛飛，劉貢平，程佳敏，田春林，3

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.廣東光機(jī)高科技有限責(zé)任公司，廣東 佛山 528000）

1 引言

液晶工作臺(tái)是將生產(chǎn)用的圖紙信息（包括源頭、源尾及拐點(diǎn)柱位置、布線(xiàn)路徑、導(dǎo)線(xiàn)信息和檢驗(yàn)標(biāo)識(shí)等）利用液晶屏顯示到工作臺(tái)上，操作者根據(jù)顯示信息在工作臺(tái)上方的防護(hù)用鋼化玻璃上進(jìn)行布線(xiàn)。然而隨著電子設(shè)備及元器件的集成化、小型化使得設(shè)備總功率和發(fā)熱量大幅增加[1]，在模擬現(xiàn)實(shí)布線(xiàn)工況時(shí)，經(jīng)測(cè)定液晶屏工作一段時(shí)間后，其溫度保持在較高狀態(tài)下，不僅易造成元器件失效，還會(huì)使操作人員進(jìn)行布線(xiàn)工作時(shí)長(zhǎng)時(shí)間與高溫鋼化玻璃接觸，給人造成不適感，同時(shí)可能影響真空吸盤(pán)的吸附力，降低吸盤(pán)穩(wěn)定性，無(wú)法達(dá)到布線(xiàn)工作穩(wěn)定、高效、安全的要求，因此需要將屏幕上傳到鋼化玻璃表面溫度控制在35°C以下。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)主要是對(duì)發(fā)熱元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括散熱片的尺寸選取、風(fēng)扇以及相關(guān)元器件的布局，這些都是針對(duì)設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)、再調(diào)整[2]。但針對(duì)工程運(yùn)用中的特殊要求，我們需通過(guò)外部手段減少電源板和屏幕之間的熱量傳遞以達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

借助Icepak軟件得到拼接屏在工作時(shí)的熱源、溫度和流體分布情況，然后針對(duì)熱源集中區(qū)、高熱區(qū)進(jìn)行散熱方案的制定，使系統(tǒng)溫度和背殼溫度下降10°C左右，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性，保障布線(xiàn)工作的正常進(jìn)行。

2 液晶拼接屏的熱源分析及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

液晶拼接屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[3]，但主要熱源集中于LED背光模組、電源板以及主板CPU[4]，而LED 背光源和圖像驅(qū)動(dòng)板占整機(jī)發(fā)熱量的80%左右，電源板約占20%。電源板上主要有開(kāi)關(guān)電源、變壓器、電容器、各種電阻等功率元件，部分器件上加有散熱器，而封裝機(jī)殼上開(kāi)有小型通風(fēng)口和小功率溫控風(fēng)扇。為了提高計(jì)算效率，對(duì)電源背板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，忽略掉尺寸較小且不發(fā)熱的元件，保留主要元件的材料屬性、尺寸大小、位置參數(shù)。已知該液晶大屏幕功耗約為250W，電源板功耗約為50W，各功率元件大概分布情況，如表1所示。

表1 各元件熱耗分布Tab.1 Heat Consumption Distribution of Each Element

在PCB1上有①～?型號(hào)，共計(jì)36個(gè)發(fā)熱單元，PCB2上有?～?型號(hào)，共計(jì)10個(gè)的發(fā)熱單元，在發(fā)熱器件②、⑧、⑩布置散熱器型號(hào)A，器件?上布置散熱器型號(hào)B。

3 模型的建立與仿真分析

3.1 仿真模型的建立

Icepak軟件能夠求解整機(jī)級(jí)、環(huán)境級(jí)的熱仿真問(wèn)題，內(nèi)置有大量的電子產(chǎn)品模型、各種風(fēng)扇和材料庫(kù)，可以模擬自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等流動(dòng)現(xiàn)象[5]。

計(jì)算模型為一立體電源背板，外殼為不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)部元件包括PCB、主要功率元器件、板翅散熱器以及溫控風(fēng)扇。其中，外殼尺寸（400×380×50）mm，壁厚1mm，PCB1尺寸為（300×170）mm，厚度1.6mm，PCB2尺寸為（240×60）mm，厚度1.6mm，板1、2為均采用絕緣材料FR4和純銅，覆銅率30%，導(dǎo)熱系數(shù)為正交各向異性參數(shù)，兩塊電路板均放置在相同大小，厚度1mm的聚四氟乙烯薄板上。建模時(shí)均將發(fā)熱器件定義為三維實(shí)體，保留各個(gè)器件的尺寸、位置及熱耗，在外殼內(nèi)表面處裝有一個(gè)溫控風(fēng)扇，殼的5面上有序分布半徑為2.5mm 通風(fēng)孔，散熱器主要參數(shù)，如表2 所示。風(fēng)扇參數(shù)，如表3所示。

表2 板翅散熱器尺寸特征Tab.2 Size Characteristics of Plate-Fin Radiator

表3 風(fēng)扇尺寸設(shè)定參數(shù)Tab.3 Fan Size Setting Parameters

根據(jù)液晶拼接屏背板系統(tǒng)的分析，利用Icepak專(zhuān)業(yè)軟件基于有限元法完成整個(gè)系統(tǒng)的建模、網(wǎng)格生成、求解和后處理等工作。在建模過(guò)程中，為了使得周?chē)諝鈱?duì)流充分，計(jì)算域設(shè)定遵循如下：設(shè)模型三維上的最大尺寸為L(zhǎng)，重力為Y軸負(fù)向（Y?），則Cabi?net外邊界模型外壁距離滿(mǎn)Y+>2L、Y?>L，其他方向距離>L/2，且六個(gè)面為Opening，風(fēng)扇選擇Internal類(lèi)型，環(huán)境溫度設(shè)為25°C。

3.2 仿真結(jié)果分析

背板系統(tǒng)的溫度分布和氣流分布情況，如圖1、圖2所示。根據(jù)資料表明，當(dāng)電路板上的器件溫度高于85°C時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生斷電保護(hù)[6]。從溫度分布云圖上可以看出，背板系統(tǒng)局部溫度最高達(dá)到71°C，滿(mǎn)足電路板工作要求，而高溫元件主要集中在：包括開(kāi)關(guān)變壓器、二極管、電感以及M型電阻處；電源板和屏幕間連接的殼溫度達(dá)到54°C，分布在PCB1靠近風(fēng)扇的地方，主要是因?yàn)殡娐钒迳洗颂幑β试植驾^為密集，熱流密度大，元件上熱量積聚較多。在背板內(nèi)部，外部空氣通過(guò)通風(fēng)進(jìn)入內(nèi)部，在風(fēng)扇抽風(fēng)作用下，將電路板上熱量帶走，所以風(fēng)扇口處氣流密度大，速度快。

圖1 溫度云圖Fig.1 Temperature Contour

圖2 氣流速度分布圖Fig.2 Flow Velocity Distribution

4 散熱方案的制定與仿真分析

4.1 散熱方案的選定

熱設(shè)計(jì)主要是基于熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射這三種熱傳遞方式[7?8]，而通過(guò)主動(dòng)散熱途徑包括：風(fēng)冷散熱、水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱以及液氮散熱等方式。

就目前的使用環(huán)境來(lái)看，風(fēng)冷散熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，更加適合該工況下的散熱需要。這里液晶拼接屏電源背板內(nèi)部空間很小，功率器件分布較為密集，而內(nèi)部熱量主要是靠外殼的自然對(duì)流和輻射換熱進(jìn)行的，考慮到布線(xiàn)系統(tǒng)需求，液晶拼接屏的放置區(qū)別于一般情況下的立式安置方式，采取平放方式，同時(shí)在屏幕上方2mm位置放置防護(hù)用鋼化玻璃，將布線(xiàn)需要的真空吸盤(pán)吸附在玻璃上，布線(xiàn)平臺(tái)，如圖3所示。

圖3 布線(xiàn)平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Wiring Platform

基于液晶拼接屏的平放布置，電源板的熱量向上傳遞，造成屏幕內(nèi)部熱量無(wú)法得到有效處理，使得屏幕熱量逐漸累積傳遞到玻璃上，在熱脹冷縮效應(yīng)下，極有可能造成吸盤(pán)的松動(dòng)，而且對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間接觸高溫玻璃的工作人員也是不利的，因此我們決定在背板外壁增加風(fēng)冷設(shè)備，加強(qiáng)內(nèi)部氣流的流動(dòng)，強(qiáng)化電源背板系統(tǒng)的冷卻效果，減少背板系統(tǒng)與屏幕內(nèi)部的熱量傳遞，以此達(dá)到對(duì)顯示屏的散熱。

強(qiáng)迫風(fēng)冷的計(jì)算公式[9]如下所示：

式中：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，ρ—空氣密度，取為1.18kg/m3；

c—空氣的比熱容，取為1.005kJ（/kg·°C）；

Δt—系統(tǒng)進(jìn)出口空氣壓力差，根據(jù)工程運(yùn)用中實(shí)際需求初步確定為15°C；

Q—簡(jiǎn)化電源板系統(tǒng)熱功耗，約為50W，計(jì)算得系統(tǒng)所需要的風(fēng)量約為0.169m3/min。

考慮到冷卻風(fēng)量的損失，工程中一般按照（1.5～2）倍的裕量來(lái)設(shè)計(jì)最大冷卻風(fēng)量[10]，這里按兩倍的裕量計(jì)算得所需風(fēng)量約為0.338m3/min。

根據(jù)前面的仿真分析得到背板系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布和氣流分布情況，為了滿(mǎn)足散熱需求，同時(shí)需要考慮到減小噪音和合理布局等問(wèn)題，所以盡量選擇低轉(zhuǎn)速的，而尺寸較大、轉(zhuǎn)速較低的風(fēng)扇相較于尺寸小、轉(zhuǎn)速大的在輸送相同風(fēng)量時(shí)更為安靜。因此，選擇在電源背板上并聯(lián)兩個(gè)軸流風(fēng)扇，保證系統(tǒng)理論上需要的冷卻風(fēng)量，風(fēng)扇向外抽風(fēng)，風(fēng)扇參數(shù)選定，如表4所示。

表4 風(fēng)扇規(guī)格參數(shù)特征Tab.4 Fan Specifications and Parameters Characteristics

4.2 仿真結(jié)果分析

由圖1殼體溫度云圖可知，需要在紅色區(qū)域上方外殼上布置散熱風(fēng)扇，通過(guò)仿真計(jì)算得到電源板背面與屏幕接觸的殼體溫度分布，如圖4所示。

圖4 溫度云圖Fig.4 Temperature Contour

將該圖與圖2溫度云圖數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在增加風(fēng)冷措施后，整個(gè)背板系統(tǒng)最高溫度和殼體背面最高溫度均降低了10°C左右，溫度降幅較為明顯，說(shuō)明該風(fēng)冷措施能夠有效減少電源背板系統(tǒng)的熱量積聚，提高屏內(nèi)部熱量與外界熱量交換的效率，保障屏幕溫度在合理范圍內(nèi)。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該散熱方案對(duì)屏幕在進(jìn)行布線(xiàn)工作時(shí)的降溫效果是否滿(mǎn)足布線(xiàn)需求，進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬實(shí)驗(yàn)。將拼接屏支起一定高度平放于工作臺(tái)上，確保屏幕最下端外殼與工作臺(tái)之間有較大空隙來(lái)散熱，鋼化玻璃四角用支架支起置于屏幕上方約2mm處，讓液晶屏幕在25°C左右的工作環(huán)境下工作一段時(shí)間后，然后用測(cè)溫計(jì)記錄兩種情況下鋼化玻璃以及屏側(cè)邊上多個(gè)位置點(diǎn)的溫度，位置點(diǎn)分布情況，如圖5所示。

圖5 位置點(diǎn)分布情況Fig.5 Distribution of Location Points

圖中只顯示殼體最高溫度點(diǎn)和屏上面溫度點(diǎn)具體溫度數(shù)值，通過(guò)兩種情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，不加散熱措施時(shí)，屏幕側(cè)邊殼體溫度最高達(dá)到48.4°C，鋼化玻璃上最高溫度維持在40.6°C左右，然而在增加散熱措施后，屏幕側(cè)邊殼體溫度下降37.2°C左右，而鋼化玻璃表面最高溫度降到了33.6°C，低于預(yù)期值35°C，說(shuō)明通過(guò)減少電源背板系統(tǒng)到顯示屏內(nèi)部的熱量傳遞，可以有效降低屏幕工作時(shí)的溫度，驗(yàn)證了方案的可行性。兩次實(shí)驗(yàn)時(shí)間?溫度折線(xiàn)圖，如圖6所示。

圖6 時(shí)間?溫度折線(xiàn)圖Fig.6 Time?Temperature Line Diagram

6 結(jié)語(yǔ)

采用熱分析軟件Icepak對(duì)某液晶拼接屏電源板建立簡(jiǎn)化模型，并基于有限元理論進(jìn)行熱仿真分析，模擬應(yīng)用于飛機(jī)布線(xiàn)的特殊條件下，獲得電源板系統(tǒng)的溫度、氣流分布情況，結(jié)果滿(mǎn)足電路板上電子器件正常工作時(shí)的溫度，說(shuō)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的合理性。對(duì)熱源集中區(qū)、高熱區(qū)制定散熱方案，使屏幕積聚的熱量得到有效處理，保障屏幕畫(huà)質(zhì)和吸盤(pán)穩(wěn)定性，提高布線(xiàn)工作穩(wěn)定、高效性和安全。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M布線(xiàn)實(shí)際工況，驗(yàn)證了方案的可行性，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。