電子設(shè)備機箱散熱仿真分析

摘要：通過對電子設(shè)備加固機箱的主要熱源分析，從基本原理出發(fā)，對 PCB 板、元器件、導(dǎo)熱板和機箱外殼等方面提出具體的熱設(shè)計思想及實施方法，并使用6sigmaET軟件對系統(tǒng)熱設(shè)計進行了優(yōu)化仿真。仿真和試驗結(jié)果表明，熱設(shè)計方案結(jié)構(gòu)合理，能較好地滿足電子設(shè)備機箱的散熱要求，能夠準(zhǔn)確可靠地運行。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備;熱分析;6sigmaET

中圖分類號：TN606?文獻標(biāo)識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）08-0044-01

引言：電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得他在軍用和民用的多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨之而來的集成化引起的熱流密度增大問題，散熱問題是當(dāng)今的重要研究方向。為保證電子設(shè)備能在各種環(huán)境下穩(wěn)定、可靠的工作，熱設(shè)計就十分重要。

本文基于計算流體力學(xué)（CFD）和6sigmaET軟件對某電子設(shè)備機箱進行了數(shù)值仿真分析，仿真與試驗結(jié)果的對比證明了理論計算和數(shù)值仿真結(jié)果的可信度，為優(yōu)化和改善機箱的散熱方案提供了有效的數(shù)據(jù)。

1?機箱結(jié)構(gòu)

為保證機箱正常、穩(wěn)定的工作，機箱采用密閉結(jié)構(gòu)形式，機箱外形尺寸為187mm×124mm×352mm（寬×高×深），內(nèi)部插件采用模塊化設(shè)計，與機箱背板采用盲插形式。三個模塊的熱耗分別為60W、10w、10W，整個機箱的總體熱耗為80W。

各模塊通過鎖緊機構(gòu)與機箱導(dǎo)軌槽緊密接觸，把熱量傳遞至機箱壁。機箱通過右側(cè)銑加工翅片的散熱器加大散熱面積，加大散熱面積。在機箱后部安裝具有防水功能的風(fēng)扇對翅片進行強迫風(fēng)冷散熱。

2?機箱傳熱類型

該機箱主要采用傳導(dǎo)和對流兩種方式。

熱傳導(dǎo)的基本定律就是傅里葉定律，其公式為：

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K）;A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面面積，單位為m2;tnn-為溫度梯度矢量，單位為K/m;Φ為熱流量，單位為W;q為熱流密度，單位為W/m2。

對流換熱主要基于牛頓冷卻公式計算。

式中，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)，單位為W/（m·K）;A為對流換熱面積，單位為m2;△t為固體壁面溫度tw與流體溫度tf之差的絕對值，△t大于零，保證熱流量Φ或熱流密度q取得正值，單位為K。

3?機箱熱設(shè)計仿真

利用專業(yè)熱仿真軟件6sigmaET進行熱分析，其主要流程是建立模型、設(shè)定邊界條件、仿真計算、后處理等。

3.1熱分析模型的建立。在模型導(dǎo)入前，為了便于劃分網(wǎng)格，提高計算效率，對原模型進行適量的簡化。

將簡化后的模型轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入6SigmaET軟件中。導(dǎo)入后的模型如圖一所示。

3.2加載邊界條件。確認(rèn)模型無誤后，定義機箱的計算域。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，迭代步數(shù)、松弛因子、重力等保持默認(rèn)設(shè)置。

3.3后處理。查看整機的風(fēng)速云圖，見圖2。圖中可見機箱靠近風(fēng)扇及翅片中間部位風(fēng)速較快。依據(jù)風(fēng)速的快慢，調(diào)整芯片、模塊的位置。

查看整體機箱的整體溫度云圖，見圖3，圖中可見機箱右側(cè)板卡溫度為45.2℃，溫升為25.2℃。風(fēng)口溫度為35.2℃，溫升為15.2℃。芯片正常工作的溫度范圍為-40℃-85℃，機箱工作后的溫升都在芯片工作合理范圍內(nèi)。實際模塊溫升為18℃，仿真結(jié)果與實際機箱相應(yīng)模塊溫升基本一致。

4?結(jié)語

從仿真結(jié)果可以看出，強迫風(fēng)冷具有較強的散熱能力。同時，應(yīng)用6sigmaET軟件對電子設(shè)備進行熱仿真分析可以直觀的了解電子設(shè)備的風(fēng)速分布。依據(jù)風(fēng)速的快慢來分配不同功率的模塊來控制整機溫升是快速有效的，從而有效縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計效率。

參考文獻：

[1]邱成悌，趙惇殳，蔣全興。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京： 東南大學(xué)出版社，2005。

[2]余建祖。電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M]。北京：高等教育出版社，2002。

[3] ]付桂翠，高澤溪，方志強，等.電子設(shè)備熱分析技術(shù)研究[J]。電子機械工程，2004，20（1）：13-16.

作者簡介：陳妍妤（1990-），女，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。