通信設備熱設計的機械結構設計措施研究

陶文

摘要：隨著我國通信技術的不斷發展，全光網絡技術、高速度、大容量等已成為我國當代通信技術的發展目標。組成通信設備的主要元件就是高密度的表面貼裝元件，與多層電路板，通信設備在運行過程中熱流密度增加，散發出大量的熱量，根據相關調查得知，我國55%的通信設備因高溫導致損壞，溫度高低幾乎與通信設備的使用壽命成正比。

關鍵詞：通信設備；熱設計；機械結構設計；分析

在我國通信技術不斷進步的前提下，現代通信技術的發展目標正在向全光網絡技術、高速、大容量等方面轉變。高密度的表面貼裝元件，和多層電路板是組成的通信設備的主要設備。通信設備在運行過程中會出現熱流密度增加，大量的熱量被散發出來的現象。根據相關調查，55%的中國的通信設備損壞是由于高溫造成的，所以說，高溫的高低幾乎和通信設備的使用壽命是成正比的。因此，為了提高通信設備的利用率，必須對通信設備的熱設計進行充分的研究，以提高通信設備的質量。

一、熱設計的基本方法

我們都知道，熱設計有高溫部件的選擇和熱控制兩種方法。高溫部件的選擇就是指采用耐高溫元件，保證元件和材料的工作溫度。這種方法的使用必然會增加成本，甚至還有可能是找不到合適的耐高溫元件，所以，在通信設備熱設計項目中基本不會使用這種方法。熱控制方法的關鍵環節就是使用熱保護和合理選擇的一些組件的熱流道。可以對熱設備的保護措施，如安裝在低溫區或屏蔽等，合理選擇熱源組件的熱流道，合理的安裝，實現布局優化，減少熱量和設備的數量。在通信設備熱設計中，一般會綜合運用幾種方法來實現最佳的熱設計效果。

二、通信設備熱設計要求和準則

通信設備熱設計準則是把設備運行產生的熱量盡量采用上述熱傳遞方式進行最大限度的降低，全面提升系統散熱效果，確保設備及系統在安全可靠的溫度范圍內高效運行，熱設計過程一般要求準則和要求為：熱設計符合國家或者行業技術標準和規范準則；熱系統結構可以滿足元器件最高運行溫度、熱阻、功耗等的功能指標；滿足強制冷卻裝置的運行限制狀況和熱環境要求等。

通信設備熱設計主要包括系統級（SYSTEMS）熱設計，主要包括通信機柜、通信機箱和方艙等設計；對于封裝級（PACKAGES）熱設計主要包括通信系統模塊（主要有電源、接口、數據處理單元、終端接收、信道傳輸、功率放大、低頻、射頻，光纖物理連接等模塊）、散熱裝置（冷卻風扇、散熱器、水泵等）、PCB電路集成板等；組件級（COMPONENTS）熱設計主要針對功率器件、硅元器件等元器件。SYSTEMS熱設計針對設備溫度環境影響進行研究和設計，因為環境溫度是封裝級熱分析重要邊界條件，設計過程應研究如何采取有效措施控制設備運行的環境溫度，使設備處于合理溫度環境范圍內運行。對于封裝級及電路板級的熱設計，應充分分析電路布局、結構構造、電路板及元器件的耐溫特性、材料熱應力、絕緣等級、熱強度（膨脹）、導熱性能、介質系數等指標，這部分熱設主要研究器件過熱、溫度交變、熱應力變化引起的失效等問題。綜上分析，通信設備熱設計一般遵循的步驟應為：設備加熱、冷卻要求分析一環境溫度（邊界條件）計算確立一模型設計一材料、熱交換方式應用（多種組合）確定一計算機輔助程序熱設計一仿真測試與分析一文件輸出、溫度分布圖驗證等。目前，主要利用ANSYS. CINDA，PHOENICS/Hobox等計算機輔助熱設計軟件進行設計和仿真測試、驗證。通過計算流體動力學進行熱分析，利用邊界元法、限元法、有限差分法和容積法建立數學模型，簡化熱設計模型，并求解具體的方程，仿真、測試、分析程序。

三、通信設備熱設計方案

該方案基本原理是充分利用室外空氣對流，采用熱交換方式強迫空氣對流，降低通信機房溫度。通過計算機控制系統協調熱交換器和機柜空調等冷卻設備的聯動，當室外溫度高于機體內溫度時，新風滿足不了排出全部冷負荷要求，此時，機柜空調設備通過計算機程序啟動運行，降低機柜內溫度，滿足通信設備運行的溫度環境要求。當機柜內的溫度上升到25'C時，并且柜外溫度低于柜內溫度時，主控板輸出開關量信號給輔控板，熱交換器開始工作，按照預先設置的溫度轉速比例調節熱交換器風機轉速；如果熱交換器風機轉速己全速運轉，且柜內溫度仍持續上升，當柜內溫度達到空調器啟動點溫度時，接通空調器，開始制冷；此時若仍滿足柜外溫度低于柜內溫度，熱交換器繼續工作；當柜外溫度高于柜內溫度時，主控板發出信號，熱交換器停止工作；當柜外溫度低于柜內溫度，且持續180S的時間后，熱交換器再次啟動。當柜內溫度未達到空調啟動溫度點時，空調內風機亦停止運轉。當熱交換器出現故障，或-48V電源出現問題時，柜內溫度上升到空調器啟動溫度點時，空調將自動投入運行。當空調器斷電或出現故障，空調無法給熱交換器工作信號，造成柜內溫度升高到40℃時，熱交換器自動進入應急運行狀態（采用應急電源供電），并根據柜內溫度，按預定的溫度轉速比例調節風機轉速。當主控板測量到柜內溫度低于5℃時，且持續300S的時間，空調內風機啟動，接通電加熱，9℃時電加熱停止工作。

四、結論

通信設備熱結構設計工作相對繁瑣，要充分考慮地域溫度環境，還應滿足具體工程設計要求，因此在通信設備熱結構設計中，應充分掌握微電子結構還應結合計算機輔助熱設計程序的應用，充分采用熱交換器等新型設備的性能，滿足熱交換設計的要求和準則。本文設計的通信設備控溫方案，節電效果可達到40%左右，有效調節設備運行溫度，能夠滿足系統運行要求，具有極高的可靠性和安全性，可以延長設備使用壽命，減低設備運行故障率，而且通過計算機及網絡技術實現遠程控制和在線環境溫度監測，大大較低了運維費用。

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