熱輻射在電子設備熱仿真中的影響

袁亞輝，朱霄聰

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熱輻射在電子設備熱仿真中的影響

袁亞輝，朱霄聰

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510663）

熱仿真分析作為電子設備前端設計的重要手段，其結果受到多種因素的影響。為了探究熱輻射對于熱仿真分析結果的影響程度，舉例進行說明。案例為一個結構簡單的插箱式電子設備，經過前期散熱設計，采取了一些散熱措施，發熱器件的溫升得到有效控制。然后對該模型參數進行重新設置，在求解控制器中關閉了熱輻射功能。對比考慮熱輻射和不考慮熱輻射兩種情況對于計算結果的影響，發現不考慮熱輻射時元器件的溫升顯著提高，與實際情況不符。

熱輻射；熱仿真；插箱式電子設備

在電子設備行業，傳統的熱設計方法是：經驗加樣機測試。該方法不但完全依賴設計師經驗，而且還需要進行相關計算，然后通過樣機測試結果進行設計優化調整。該方法雖然具有一定的實用價值，但由于經驗依賴性大，計算量也相對較大，設計調整次數也較多，從而造成開發周期加長、開發成本增加[1]。針對傳統熱設計的局限性，人們引入前端熱設計的方法[2]，即在正式進行產品設計前，通過專業的熱仿真分析軟件對設計構思進行模擬分析并且優化[1]。

進行熱仿真分析前，需要明確電子設備的實際使用情況及確定熱傳遞的方式。熱量傳遞的三種基本形式是熱傳導、熱對流、熱輻射[3]。

1 熱輻射

由于熱的原因而產生的電磁波輻射稱為熱輻射。熱輻射的電磁波是物體內部微觀粒子的熱運動狀態改變時激發出來的。只要溫度高于0 K（絕對零度，約等于-273.15℃），物體總是不斷地把熱能變為輻射能，向外發出熱輻射。同時，物體亦不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉變為熱能。輻射換熱是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。

當熱輻射的能量投射到物體表面上時，和可見光一樣，也發生吸收、反射和透射現象，如圖1所示[4]。

圖1 物體對熱輻射的吸收、反射和透射

在外界投射到物體表面上的總能量中，一部分Q被物體吸收（轉換成熱能），另一部分Q被物體反射，其余部分Q穿透過物體。根據能量守恒定律，則有：

＝Q＋+Q＋Q（1）

2 熱仿真案例

某電子設備面板高度為1U，經過前期的散熱設計，結構模型如圖2所示。為提高仿真計算效率，建模時將部分組件進行簡化處理，刪除或忽略對熱仿真結果無影響的部件，發熱器件采用均質簡化建模。各發熱器件、PCB、齒片散熱器、中頻模塊蓋板等組件采用細化網格劃分，其余各部件粗化網格劃分。設備工作允許的環境溫度范圍是[-20℃, +55℃]。

面板、后板、左右側板、底板和蓋板（圖2中被隱去）的材料為普通鋁合金。在設備箱體內部，各模塊通過硬鋁合金支柱固定在底板上；基帶模塊（包括上基帶板和下基帶板）上的散熱器也由硬鋁合金支柱固定于PCB上；中頻模塊（圖2中被隱去上蓋）由標準螺釘固定于底板。

圖2 電子設備結構模型

2.1 考慮熱輻射

熱仿真的前處理階段，參數設置時考慮熱輻射，環境溫度設為設備工作溫度允許范圍的上限值+55℃。同樣地，對與發熱器件連接比較緊密的部件例如齒片散熱器、PCB、中頻模塊的蓋板及器件本身進行網格細化，其它部件則采用比較粗大的網格，保證結果精確的前提下提高計算效率。在求解控制屬性中將熱輻射的“Active”的下拉選項選中“Yes”，檢查模型，劃分網格并進行求解計算。計算結果溫度云圖如圖3所示，圖中顯示的顏色代表各組件的表面溫度。

圖3 計算結果溫度云圖

計算結果如表1所示，表中ΔT＝T－T'max。由于器件采用均質簡化建模，因此可將表面溫度近似等同于其結溫。

由表1可以看出，各元器件的溫升都在＋30℃以下，說明散熱設計的效果是比較理想的。

表1 發熱器件溫度計算結果（單位：℃）

2.2 不考慮熱輻射

設備的結構模型保持不變，在熱仿真的前處理階段，參數設置時不考慮熱輻射，環境溫度設為＋55℃。計算結果溫度云圖如圖4所示，圖中顯示的顏色代表各組件的表面溫度。

圖4 計算結果溫度云圖

計算結果如表2所示，表中ΔT＝T－T'max。同樣地，由于器件采用簡化建模，因此可將表面溫度近似等同于其結溫。

表2 發熱器件溫度計算結果（單位：℃）

3 結論

將圖3和圖4進行對比，可明顯看出圖4的發熱器件對與其直接接觸的PCB的溫度上升的影響范圍更廣、更大。這是由于沒有了熱輻射的參與，器件產生的熱量更依賴導熱的方式來擴散。表1與表2的結果對比如圖5所示。

由圖5可知，在不考慮熱輻射時，器件的溫度顯著比考慮熱輻射時的溫度要高很多，與實際情況差異較大。因此，進行電子設備設計時，一定不能忽視熱輻射對器件散熱的作用。否則，原本使用低成本的方式就可實現的散熱目的，卻要浪費更高的成本，采用更高端的散熱方式，導致成本浪費，得不償失。

圖5 有無考慮熱輻射的結果對比

[1]宋洪濤，賓鴻贊. 熱仿真技術在電子設備結構設計中的作用[J]. 應用科技，2001，28（8）：165-167.

[2]李承隆. 電子產品熱設計及熱仿真技術應用的研究[D]. 成都：電子科技大學，2010.

[3]袁亞輝. 基于6SigmaET的某電子設備瞬態熱設計[J]. 機械，2013，40（8）：36-39.

[4]余建祖. 電子設備熱設計及分析技術[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[5]趙敏，陳志平，張巨勇. 大功率LED燈的熱分析與熱設計[J]. 機電工程，2012，29（2）：220-223.

Influence of Thermal Radiation on Thermal Simulation about Electronic Equipment

YUAN Yahui，ZHU Xiaocong

(GuangzhouHaige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China )

As an important tool of concept design of electronic equipment, the results of thermal simulation analysis are influenced by many factors. In order to make research onhow heat radiation influenced the results of the thermal simulation analysis, one case is introduced. The case is a simple box electronic equipment. After the previous thermal design, some thermal measures were adopted and then the temperature rise was controlled effectively. Next step the parameters of the model were reset, the function of heat radiation was shut off in the solution controller. Influences on the solution results of what the heat radiation was considered or not in the case were compared. It indicates that when the heat radiation was not considered the temperature of the components rose remarkably, which is discrepant with the fact.

heat radiation；thermal simulation；box electronic equipment

TN376

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.007

1006－0316 (2018) 01－0034－03

2017－05－08

袁亞輝（1983－），男，河南漯河人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電子通信設備結構設計、熱仿真設計、沖擊跌落仿真；朱霄聰（1980－），男，廣東湛江人，本科，工程師，主要研究方向為工業設計、人機工程設計、結構設計。