某圖像處理設備散熱問題分析

2013-12-31 07:19:04吳紫光蔡錦華王巍峰朱丹江

機械工程師 2013年4期

吳紫光，蔡錦華，王巍峰，朱丹江

（江西聯創精密機電有限公司，南昌330096）

1 引言

隨著電子產品結構外形的日趨小型化，其功耗卻越來越高，散熱問題引起產品故障的可能性越來越大。統計表明，電子產品故障發生的原因，有55%以上是因冷卻系統設計不良所導致［1］。

散熱是熱量傳遞的過程，它有兩個基本規律：（1）熱量從高溫區流向低溫區；（2）高溫區發出的熱量必定等于低溫區吸收的熱量。熱量傳遞通常通過三種方式進行：導熱、對流和輻射。目前，工程師一般采用熱電模擬法進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絡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；熱導模擬為電導；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-平壁的導熱系數，W/（m·℃）；A-導熱面積，m2。

式中，hc-對流換熱系數，W/（m2·℃）。

式中，hr-輻射換熱系數，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、蒸發冷卻、熱電致冷、熱管傳熱等。選擇冷卻方法時，應考慮下列因素：產品的熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、工作環境條件、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；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 產品介紹及反饋的問題

某圖像處理設備的功能是實現大型圖片的高質量拼接，產品內部結構簡圖如圖2 所示。在調試過程中，操作人員反饋了如下兩個問題：（1）內、外腔的貼合面處，溫度明顯高于其它未貼合面；（2）產品連續工作2h 左右，內部用于強迫風冷的風扇不轉動。

圖1 各種冷卻方法的比較

圖2 內部結構簡圖

4.2 工作環境及狀態

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

4.3 散熱過程分析

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

將計算結果與圖1 比較，可知內腔采用自然空氣冷卻的方法可行。

本例的傳熱路徑：內腔中熱量通過內腔6 個面，采用三種方式傳遞到外腔內表面，再通過傳導方式將熱量傳遞到外腔外表面，最后散發到大氣中，圖3 為內腔示意圖。內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行分析，圖4 為傳熱路徑圖。

圖4 中Rfi（i=1，2，…，6）分別對應abb1a1、abcd、cdd1c1、a1b1c1d1、cbb1c1及aa1d1d 各面向外腔內表面傳遞熱量的路徑熱阻，Rji（i=1，2，…，6）為內腔各面對應的外腔壁熱阻。在大氣溫度為20℃、內腔黑度為0.82，外腔黑度為0.94，外腔導熱系數為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、外腔的貼合面，符合反饋的第一個問題結果；控制板上的溫度傳感器與abcd 面對應，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到設置的工作溫度，符合反饋的第二個問題。