LKJ2000型監控裝置散熱系統的設計與實現

張華++黃娟娟

摘 要：LKJ2000型列車運行監控記錄裝置已有“安全期”過渡到“故障頻發期”，電容爆漿、記錄芯片起泡變型、監控模式混亂、彩屏與監控裝置通訊等故障頻繁發生。究其原因，主要是LKJ2000型列車運行監控裝置設計上存在缺陷，采用自然風冷，沒有散熱系統，影響該裝置作用的正常發揮，對運輸安全生產造成較大干擾。因此，如何降低監控裝置內部溫度，使監控過熱故障率下降，提高機車的運行性能，成為鐵路運行急需解決的問題。

關鍵詞：LKJ2000監控裝置 散熱系統 元器件 溫度

中圖分類號：U26 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0065-03

隨著列車運行監控技術的升級換代，2002年路局開始全面推廣使用LKJ2000型監控裝置，但是運用情況并不盡如人意，電容爆漿、記錄芯片起泡變型、監控模式混亂、彩屏與監控裝置通訊等故障頻繁發生。究其原因，主要為LKJ2000型列車運行監控裝置設計上存在缺陷，采用自然風冷，沒有散熱系統，在氣候炎熱的季節，裝置內部溫度達90℃以上。電子元器件過熱損壞。影響該裝置作用的正常發揮，每年此類故障率就占了監控裝置故障落修率的80%以上。對運輸安全生產造成較大干擾。為此，昆明機務段組成課題組，設計研制出一套散熱裝置樣機，使LKJ2000型監控裝置過熱故障率下降80%以上。散熱裝置性能可靠，安裝方便，不影響監控裝置正常工況。

1 主要元器件正常工況環境溫度范圍分析

1.1 DS1250Y芯片

DS1250Y芯片內部每個NV SRAM均自帶鋰電池及控制電路。在所有的環境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大，在電極/電解液界面上的電化學反應與環境溫度有密切的關系，電極/電解液界面被視為電池的心臟，如果溫度下降，電極的反應率也下降，假設電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會下降；如果溫度上升則相反，即電池輸出功率會上升。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，溫度下降，傳送減慢。

對于DS1250Y芯片來說溫度太高，即：≥45℃，會破壞電池內的化學平衡，導致副反應，釋放出腐蝕性物質，同時，高溫下充電電池材料的性能會退化，電池的循環壽命也將大大縮短。

經測試，監控主機箱的內部環境溫度一般高達85℃以上。在這樣環境中長期工作最終導致芯片內部鋰電池因過熱損壞導致芯片外部起泡變形，從而嚴重影響DS1250Y芯片的電氣性能。使CPU讀寫DS1250超時或失敗致使監控記錄文件出現錯誤。

可見監控記錄板上DS1250Y芯片工作的環境溫度應<45℃，原芯片內部控制標稱電路所選用的-40℃到+85℃工業級溫度范圍有偏差。

1.2 27C4001芯片

LKJ2000型監控裝置選用存儲監控模式及數據的EPROM芯片即27C4001芯片。由于監控裝置內部的工作溫度較高，即便沒有外加電場，“熱載流子”也會通過“電子遷移”的方式緩慢的注入NVM器件。改變EPROM中的數據，導致監控模式混亂。

1.3 CPU

1989年MOTOROLA公司推出MC68300系列32位單片機，LKJ2000型監控裝置選用的就是其代表性產品MC68332。

據超微公司（AMD）統計，全世界因中央處理器引起的各種故障中，長期溫度過高所致CPU損壞的占92%。然而，并不是熱直接傷害CPU，而是熱所導致的“電子遷移”效應在緩慢的損壞CPU內部的芯片結構，是高溫導致的“電子遷移”效應而引發的結果。為了防止“電子遷移”效應的發生，必須把CPU的表面溫度控制在攝氏55℃以下，這樣CPU的內部溫度維持在80℃以下，“電子遷移”現象才不會輕易的發生。此外“電子遷移”效應也并非立刻就會損壞CPU（芯片），它對CPU（芯片）的損壞是一個緩慢的過程，但肯定會縮短CPU的使用壽命。

1.4 電解電容

一般導致電解電容爆漿漏液的原因分為兩種：①電容過壓；②電容過熱。LKJ2000型監控裝置電源插件上裝有3個濾波電解電容，經過對故障插件的分析研究并不是3個電解電容同時爆漿，有的插件僅有一個電容爆漿。如果是過壓原因造成電容爆漿，應該是3個電解電容全部爆漿，絕對不會有一個幸免，所以電源插件上的電解電容爆漿的原因只可能是過熱。

2 監控裝置散熱系統設計

2.1 散熱方式比選

散熱就所采用的方式來說，可以分為兩種，被動散熱和主動散熱，在主動散熱中根據采用的散熱方式不同，又分為風冷散熱、水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱、半導體致冷片散熱、壓縮機輔助散熱和液氮散熱等幾種。

從熱力學的角度看，物體的吸熱、放熱是相對的，只要有溫度差存在，就必然出現熱從高溫處向低溫處傳遞的現象，有差別的只是傳導速度。熱傳遞有3種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱的散熱能力非常好，但結構復雜、安裝空間、工藝要求很高，監控裝置的安裝位置無法滿足空間上的要求。

風冷散熱是現在最為常見且使用率最高的一種散熱方式，屬于主動散熱，這種散熱方式可以解決監控裝置的散熱需要，技術成熟并且空間、安裝工藝要求不高。風冷散熱器結構簡單，安全可靠，冷卻效果明顯。

為提升CPU、CAN芯片、電源模塊的散熱效果，課題組研究了散熱片被動散熱。所謂被動散熱，即在不借助任何輔助散熱方式的情況下，通過散熱片自身與芯片的接觸，進行熱傳導帶走芯片上聚集的熱量，通過增加芯片的有效散熱面積來降低芯片工作溫度。但就LKJ2000監控裝置機箱的復雜情況，各個元件發出的熱量無法自然散出，僅僅采用被動散熱遠遠不能滿足監控裝置散熱的需要。經過調研論證，最終確定LKJ2000型監控裝置采用風冷散熱和散熱片被動散熱相結合的散熱方式。

2.2 散熱片的選擇

雖然風冷散熱器中“風”起著至關重要的作用，但沒有散熱片作為基礎，“風力”散熱則無從發揮。可以說，散熱片的結構設計、材料選擇、制作工藝對風冷散熱器的性能起著決定性的作用，也是判斷風冷散熱器性能時需要注意的第一要素。散熱片擔負著將發熱物體產生的熱量散失到周圍空氣中的使命，是風冷散熱器中的熱量傳導通道。其主要作用有：吸熱、導熱和散熱。

制作散熱器用金屬銅材料加工鰭片最好，而且使用特殊的工藝為散熱器提供了更多的鰭片，從而增加傳熱面積獲得更好的散熱效率，但銅的密度大，如果采用全銅散熱片，散熱器的重量會很沉重很可能會壓壞CPU（各種CPU對散熱器的重量都有規定，MC68332CPU是≤35克）或散熱片因自重脫落。

通過以上分析，確定采用鋁制平板型吸熱底+直立林狀鰭片的設計。

為保證芯片在所能承受的最高溫度以內正常工作，用導熱材料和工具將散熱器安裝于芯片上面，從而將芯片產生的熱量迅速排除。根據散熱器規格、芯片功率、環境溫度等數據，通過熱傳導計算來確定芯片工作溫度。

2.3 散熱通路設計（被動式散熱）

由于散熱器底面與芯片表面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導體，所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣，甚至無法發揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙，增大接觸面積，必須使用導熱性能好的導熱材料來填充，課題組確定使用導熱黏合劑、相轉變材料。

芯片發出的熱量通過導熱材料傳遞給散熱器，再通過風扇的高速轉動將絕大部分熱量通過對流（強制對流和自然對流）的方式帶走到周圍的空氣中，強制將熱量排除，這樣就形成了從芯片開始，然后通過散熱器和導熱材料，到周圍空氣的散熱通路。如圖1所示。

2.4 LKJ2000型監控裝置散熱系統設計

將LKJ-2000型監控裝置數學模型，放入風動模擬試驗程序，計算機列出了近似溫度相位方程。

以上方程用計算機擬合出函數關系求解后計算機繪出溫度信號曲線（圖2）。

根據分析：①當上下隔板溫度信號相位相反的時，機箱內溫度恒定基本為恒溫；②當上下隔板溫度信號相位改變時，相位變化越大機箱內各個離散點溫度波動越劇烈；③機箱內同一水平高度溫度相差不大。

所以讓機箱快速將箱內溫度釋放必須改變上下隔板的溫度相位。改變溫度相位最有效的方法是使用風扇。

通過計算散熱片可以使芯片工作溫度降至63.5℃左右，但是根據前面監控裝置機箱的數學模型推導的結論，溫度是會出現飽和性積累的，所以設計為一個將散熱片被動散熱和主動散熱相結合的適合LKJ2000型監控裝置使用的整體散熱系統，如圖3所示。

3 試驗過程及效果分析

第一階段，完成了監控裝置散熱系統方案初步設計工作。并采購分離器件制作了簡易監控裝散熱裝置，利用監控裝置多臺地面備品，對裝置進行第一階段地面試驗。試驗結果表明散熱系統能有效降低電源插件、監控記錄插件的工作溫度。

第二階段，對試驗數據進行分析，進一步完善散熱系統模型，增加被動散熱部分散熱方案，解決大功率模塊、CPU、芯片發熱點集中的問題；并優化設計完善各部份的性能，確定監控散熱系統裝置的設計、制造方案。

第三階段，對監控裝置散熱系統的設計改造進行最后的調試工作，制作了專用散熱風路箱體，使樣機更加規范。并在SS7型0014號機車上正式裝車試用。自試用以來，所研制的散熱裝置性能穩定，作用良好，經100000多公里運用考核表明，LKJ2000型監控裝置工作可靠性有了較大提高，未曾發生過任何監控裝置因過熱死機、關機、記錄混亂無法分析等故障，實現零故障報修。

4 結語

該散熱系統具有以下特點。

（1）頂部安裝散熱風扇較好解決死區問題。

（2）該系統結構緊湊、散熱風路無死區，其散熱效果好；

（3）由于采用外置安裝，該設備無需對監控裝置整體外形加工改造，安裝方便；

（4）風扇采用機車110V獨立電源，同監控裝置電源分離不會對監控裝置的電源產生紋波干擾；

（5）過濾網采用套裝方式，更換方便；

（6）風扇采用工作指示燈便于檢查。

該裝置裝車后，一方面，有效地解決了課題提出的問題；另一方面保證了監控裝置基本功能的實施，大大節約了生產成本的支出、延長監控裝置的使用壽命、減少檢修工作量，有力的保障了LKJ2000監控裝置的穩定性和可靠性。

參考文獻

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