郭小強

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610000）

引言

隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，芯片功耗越來越大，電子產(chǎn)品集成度越來越高，電子設(shè)備的失效有55 %是溫度超過許用值引起的，過熱損壞已是電子設(shè)備失效最常見的原因[1,2]。對于電子產(chǎn)品而言，每升高10 ℃，電子元器件的失效率將增加一倍，這大大影響電子產(chǎn)品的壽命和可靠性[3]。

空氣冷卻分為自然對流散熱和強迫風冷散熱，自然對流散熱冷卻方法廣泛的應用在低功率設(shè)備上，很多大功率電子設(shè)備的冷則需采用強迫風冷散熱，這是因為強迫風冷的換熱量比自然對流和輻射的要大到10倍左右[4,5]。

電子設(shè)備風冷散熱的冷卻效果與流場有密切關(guān)系，必須合理設(shè)計流道，對電子元器件進行散熱冷卻，保證機箱能夠正常工作。本文運用FloTHERM 熱仿真分析軟件對某密閉風冷機箱進行熱仿真分析驗證，利用Command Center 優(yōu)化模塊對冷板的翅片厚度和數(shù)量進行響應面優(yōu)化設(shè)計，進而得到翅片厚度和數(shù)量的最優(yōu)組合，使功放熱源最高溫降低了3.5 ℃，提高機箱的使用壽命。

1 某密閉機箱基本結(jié)構(gòu)

某小型密閉機箱尺寸為480 mm×320 mm×177 mm，可以實現(xiàn)19 英寸機柜內(nèi)安裝和室外安裝。機箱由功放模塊和電源光電模塊拼裝組成，功放模塊和電源光電模塊都采用密封設(shè)計，模塊由蓋板和盒體組成。各模塊內(nèi)部的發(fā)熱器件首先將熱量傳導到模塊的盒體上，功放芯片由于熱流密度高，借助純銅基板將熱量快速傳導到盒體上，模塊盒體底部外側(cè)設(shè)計有散熱翅片，兩個模塊拼裝后，散熱翅片齊平形成共有風道，機箱一側(cè)設(shè)計有風機組件，機箱另一側(cè)設(shè)計有進風孔。

機箱采用強迫風冷抽風散熱，冷風從機箱進風口進入風道，流經(jīng)機箱散熱翅片，最后從風機流出。通過風機驅(qū)動氣流從風道散熱齒表面流過，將熱量帶走，從而達到機箱散熱目的。

機箱最高工作溫度為+60 ℃，機箱總熱耗為591 W，其中功放模塊357.5 W，機箱所需的通風量，按熱平衡方程進行估算：

式中：

P—設(shè)備功耗，591 W；

ρ—空氣密度，估算時可取ρ=1 kg/ m3；

Cp—空氣定壓比熱，估算時取Cp=1 000 J/kg.℃；

Δt—進出風口溫差，取Δt=6 ℃。

受設(shè)備實際工作環(huán)境的影響，風機最大風量的一般為風機的工作點風量1.5 倍。機箱所需風機的最大風量Qmax=1.5 Qv=532 m3/h。結(jié)合機箱外形，機箱選擇6 個尺寸為60 mm×60 mm×32 mm 的風機布置于機箱一側(cè)來對機箱抽風散熱，風機最大靜壓462.6 Pa，最大流量108 m3/h。

機箱結(jié)構(gòu)件主體材料為防銹鋁5A06，該材料強度高，耐蝕性好，加工性良好同時具有很好的傳熱能力。功放模塊中有多個功放芯片，功放芯片熱耗高體積小，熱流密度很大。為了將功放芯片的熱量快速傳導出，將功放芯片與銅基板貼合，借助銅板的高傳熱能力，實現(xiàn)對功放芯片快速傳熱的目的。

功放模塊和電源光電模塊的最大散熱冷板尺寸都為444 mm×248 mm，功放模塊散熱翅片高度為31.5 mm，底板厚度3 mm；電源光電模塊散熱翅片高度為20 mm，底板厚度為2.5 mm。初步設(shè)置兩個冷板翅片厚度為1.5 mm，翅片數(shù)量均為80，翅片間隙為4.1 mm。

2 機箱的熱仿真分析

采用熱仿真軟件FloTHERM 對機箱在最惡劣條件下工作進行仿真，即環(huán)境溫度為60 ℃時，要求機箱內(nèi)元器件最高溫度不超過 100 ℃。

2.1 熱耗分布

機箱總熱耗591 W，其中功放模塊357.5 W，電源光電模塊233.5 W。機箱熱耗分布圖見圖2。

圖1 整機外形示意圖

圖2 損耗分布圖

2.2 參數(shù)設(shè)置

機箱工作環(huán)境為地面條件，環(huán)境溫度+60 ℃，采用FloTHERM 軟件仿真計算，設(shè)備表面發(fā)射率0.8，機箱的進風孔為圓孔，這里采用多孔板等效替代，通過計算模擬，多孔板開孔率設(shè)置為0.6。

機箱主要材料熱物理屬性及參數(shù)設(shè)定如表 1、2 所示。

2.3 初步仿真結(jié)果

通過仿真計算，得到機箱外表面溫度云圖見圖3，機箱的氣流跡線圖見圖4，機箱內(nèi)部主要散熱芯片溫度云圖見圖5。由仿真結(jié)果可得，功放熱源最高溫為88.3 ℃，主要功放熱源的計算殼溫為（85 ～88.3）℃，均低于器件最高允許殼體溫度100 ℃，符合散熱要求，但余量較?。粰C箱散熱齒間風速為（7 ～12）m/s 不等，由于散熱齒間距較寬，有效的換熱面積較少，散熱效率較低，可對散熱翅片的厚度和數(shù)量進一步優(yōu)化設(shè)計，降低功放熱源的溫度。

圖3 機箱外表面溫度云圖

圖4 機箱氣流跡線圖

圖5 機箱內(nèi)部主要散熱芯片溫度云圖

3 優(yōu)化分析

3.1 響應面優(yōu)化設(shè)計

機箱冷板基體尺寸為444 mm×248 mm×2.5 mm，散熱翅片高度為58 mm，在散熱冷板外形尺寸等確定的條件下，利用FloTHERM軟件中的優(yōu)化設(shè)計模塊Command Center 對翅片的厚度和數(shù)量進行響應面優(yōu)化設(shè)計。以齒厚（0.5 ～2.5 mm） 和翅片數(shù)量（40 ～150） 為輸入變量，以功放熱源最高溫為輸出變量，建立目標函數(shù)，進行優(yōu)化仿真。輸入變量及變化范圍如表3 所示。Command Center 優(yōu)化模塊自動生成16 組試驗方案如表4 所示。

表1 機箱材料傳熱系數(shù)

表2 不同物體間接觸熱阻參數(shù)

表3 輸入變量及變化范圍

表4 試驗方案

3.2 結(jié)果分析

通過優(yōu)化分析，得到翅片厚度和翅片數(shù)量在變化范圍內(nèi)的最優(yōu)組合見表5?？梢缘贸龀崞瑪?shù)量為128 個，翅片厚度為1.43 mm為最優(yōu)解組合，機箱溫度最低，最優(yōu)解所對應的功放熱源最高溫由88.3 ℃降溫84.8 ℃，降低了3.5 ℃，效果顯著。

表5 輸入變量最優(yōu)組合

圖6 為功放熱源最高溫隨翅片厚度、翅片數(shù)量變化的優(yōu)化響應面，圖7 為不同翅片厚度情況下數(shù)量對功放熱源最高溫度的影響，通過仿真結(jié)果，可以得出：

圖6 功放熱源最高溫度隨翅片厚度、翅片數(shù)量變化的優(yōu)化響應面

圖7 不同翅片厚度情況下數(shù)量對功放熱源最高溫度的影響

1）當翅片厚度從（0.5 ～2.5）mm 不斷增加時，功放熱源的最低溫點所求得的翅片數(shù)量從130 個到80 個逐步減小。在冷板基體尺寸444 mm×248 mm×2.5 mm 不變的情況下，翅片厚度增加后，翅片數(shù)量減少可以保證散熱翅片間距足夠，才可以更高效的進行散熱。

2）翅片厚度和數(shù)量并不是簡單的越小或者越大，冷板的散熱能力就越好，只有最合適翅片厚度和個數(shù)組合，保證散熱翅片充分換熱才可以最優(yōu)化發(fā)揮散熱冷板性能。

3）當翅片數(shù)量超過130 個時，功放熱源最高溫急劇上升，這是由于冷板總尺寸444 mm×248 mm×2.5 mm 不變的情況下，當數(shù)量超過某一值后，翅片的間隙變小，流動阻力增大，換熱效果降低。

4）翅片厚度變化時，最優(yōu)的翅片間隙也在不斷變化，對于常用的（1 ～2.5）mm 厚的冷板翅片，其最優(yōu)的翅片間隙在（2~3）mm 左右。

4 結(jié)論

本文利用FloTHERM 軟件中的優(yōu)化設(shè)計模塊Command Center 對翅片厚度和翅片數(shù)量進行響應面優(yōu)化設(shè)計，得到翅片厚度1.43 mm 和數(shù)量128 個的最優(yōu)組合，使功放熱源最高溫降低了3.5 ℃，效果顯著。通過仿真分析得出：冷板翅片厚度與翅片個數(shù)對散熱效果的影響是相關(guān)聯(lián)的，只有選擇最合適翅片參數(shù)才可以最優(yōu)化發(fā)揮散熱冷板性能。本文對翅片厚度和翅片數(shù)量進行相應的響應面優(yōu)化設(shè)計，事實上對于翅片高度、冷板基體尺寸、冷板基體厚度、翅片類型等參數(shù)同樣可以借助響應面優(yōu)化設(shè)計找到最優(yōu)組合。