面向小型機械電子設備的機箱散熱設計方案分析

辛佳興，陳金忠，李守寶，馬義來，朱宏武，李曉龍

(1.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249； 2.中國特種設備檢測研究院壓力管道事業部，北京 100029)

電子設備被用于民用、軍事等各領域，隨著技術的發展，電子設備朝著功能集成化、小型化方向發展，但同時對設備的可靠性和惡劣環境下的適應性要求不斷提高[1]。功能的不斷增大導致設備單位體積產熱量越來越高[2]。相關研究表明，電子設備失效原因中，有近60%是由于高溫導致電路連接界面損傷造成導體阻值上升，形成應力損傷造成[3]。因此，大功率和高集成度條件下，如何將電子元器件短時間形成的大量熱量得到疏散，保證元器件運行環境在一個相對穩定溫度場下成為保證各類機械電子設備可靠運行的一個主要研究方向[4-6]。本文以某一通信機械電子設備為對象，通過熱仿真軟件Flotherm軟件分析了設備在運行環境下空氣溫度場，為機箱電路板器件進一步優化提供理論基礎。

1 熱分析模型構建

1.1 物料模型

本文針對國內某一機械通信設備為對象，機箱采用2U系統，設備結構形式如圖1所示。采用直通風設計，進出口采用60%開孔率大孔板，風扇盤采用60 mm×60 mm×25.4 mm的三風扇周六風機，風扇入口安裝濾網防塵。整個機箱包括兩塊125 mm×220 mm×2 mm的NT板、四塊260 mm×220 mm×2 mm的LT板和一個125 mm×220 mm×2 mm的AC電源。

圖1 機箱模型結構

1.2 數值模擬構建

在Flotherm中建立圖1所示機箱模型后，設置模型的初始條件。其中機箱框架材料為純鐵，內部金屬面板為鋁制材質，芯片散熱器采用鋁合金材質。機箱中各電子元件能耗見表1所示。整個機箱總發熱量為183.7 W。當極限外部溫度達到55 ℃時，此時機箱風扇全部運轉，最大風壓0.23inH2O，最大風量25CFM，由于此時機箱內物體邊界溫度差異較小，因此，各元件傳熱以熱傳遞為主，忽略熱輻射的作用。

表1 機箱電子元器件功耗 W

考慮機箱內各元件幾何尺寸偏差較大，采用“none”來執行網格劃分，根據物體幾何邊界進行區分，采用正交技術，并嵌入Cut cell網格切割技術來進行網格的進一步細化，減少求解時間。將這個模型劃分為34 355個網格，484 367個節點，最大長寬比為16.25。如圖2所示為機箱網格細化。

圖2 不同板塊網格劃分

根據建立好的網格劃分模型，確定模型的邊界條件：①環境溫度55 ℃，標準大氣壓；②鋁合金導熱系數202 W/m·K，鋁質材料導熱系數237 W/m·K，塑料封裝芯片導熱系數6.5，導熱墊片熱阻2 W/m·K，空氣隙導熱系數0.026 7 W/m·K；③空氣密度1.2 kg/m3，比熱1 007 J/kg·℃。

2 仿真結果分析

2.1 溫度場分析

圖3為機箱內主要板卡的溫度分布場。可以發現，NT板上的Chip1點溫度最高，而LT板的Chip2、Chip3和Chip44次之。盡管Chip1位于風扇出風口，周邊溫度相對較低，但由于LT板上分布的芯片較多，各芯片的功耗達6W，因此可能造成較高的溫度。而Chip2、Chip3和Chip4形成較高的溫度是由于LT板各類元氣騎處于流場下游出風口，環境溫度較高，使得器件導熱效果下降，散熱環境惡化，且該位置的發熱元件較為集中，相互影響。

圖3 機箱面板表面溫度場

圖4給出了機箱沿X軸向0.399 m和Y軸向0.081 m向的溫度場分布情況。其中紅色框為Chip1和Chip44位置，從圖4中可以看出，Chip1溫度已經達到了100 ℃，且截面右上方空氣場溫度也相對較高，盡管該區域存在大量發熱元件，但發熱量不大，可能是由于該區域上游氣流受到阻礙，導致冷卻環境惡化，使得周圍空氣溫度不斷上升造成[7]。比較兩個位置溫度場可以發現，順著流線方向，芯片Chip44溫度逐漸上升，一方面可能是由于空氣溫度加熱，另外方面也可能是相鄰發熱芯片相互影響作用引起，因此，在空間容許條件下，可通過叉拍來消除芯片間的不利影響。

圖4 切線溫度分布云圖

圖5為機箱出口截面空氣溫度分布場，可以看出，空氣出口溫度場范圍保持在59.5～86.5 ℃，溫度波動范圍相對較大，最高溫度易引起機箱出口位置元件的散熱不均。同時，截面平均溫度為75.6 ℃，相對來講散熱難度還是相對較大。

圖5 機箱出口空氣溫度場分布

通過熱仿真分析機箱類主要元器件的實際溫度和最高溫度如表2所示。可以看出，最高溫度出現在NT2的Chip1位置，最高溫度為106.42 ℃，LT4板的Chip44表面溫度場次之，最高溫度為101.32 ℃。其余各元件表面溫度均在100 ℃以下?？紤]到不同芯片的功效和機箱的整體溫度場分布，建議溫度場控制在120 ℃以下為宜，若同時考慮設計余量溫度，設計芯片最高溫度值為110 ℃，因此，當所有元器件溫度在110 ℃以內時，則能夠保證機箱的熱設計能夠滿足基本使用要求。從當前的測試結果可以看出，盡管發熱元器件最高溫度均在110 ℃以下，但機箱內的溫度場分布存在較大的不均勻性，且對冷卻介質的利用率較大，導致Chip1和Chip44位置的芯片溫度過高，且不同元器件間形成了較大的溫度差，因此，需要對機箱熱設計部分進行優化。

表2 機箱各主要元器件最高溫度

2.2 通信機箱散熱設計優化

考慮到機箱內流場分布不均導致的局部熱負荷偏差較大問題，對機箱版面元件進行布局優化來解決Chip1存在的高溫問題，圖6為機箱NT板上的新布局方案，其中虛線方框部分為發熱元件Chiip1，將該元件上移至NT板風速較大區域，利用風扇冷風來降低芯片熱量，在提高空氣利用率同時提高Chip1散熱效率。

通過模擬計算箱體總流量20.636 72CFM，與初始設計方案總流量偏差較小。計算得到機箱沿Y軸向0.081 m處的空氣速度方向，如圖7所示，可見Chip1周邊空氣速度由最初的0.2 m/s提升到1.6 m/s，元件周邊空氣速度增幅明顯，空氣擾動性增強，元器件與周邊環境換熱效率增加，從而降低了Chip1元器件溫度。

圖6 優化機箱面板布局圖

圖7 Y軸向切面速度云圖

表3為通過Table獲得的機箱各主要元器件溫度場。經過方案優化的Chip1溫度大幅下降，尤其是位于NT2面板上的Chip1溫度相對初始設計方案的最高溫度，下降了21.5 ℃，最高溫度僅為85.21 ℃，可見優化方案滿足了預期要求。同時其他各類元器件溫度場變化幅度保持在1 ℃范圍，溫度變化不大，可基本忽略。通過方案優化后，將Chip1溫度成功降低到100 ℃以下，此時Chip44元器件溫度最高，最高溫為101.51 ℃，解決了局部溫度不均的問題。

表3 機箱各主要元器件最高溫度

3 結 論

(1)利用Flotherm軟件對機械通信機械溫度場進行分析，機箱NT2板上的Chip1點溫度最高，最高溫度為106.31 ℃，LT4板的Chip44表面溫度場位置溫度次之，溫度為101.32 ℃。機箱各發熱元器件滿足使用要去，但溫度場分布存在不均勻性，且對冷卻介質的利用率較大，導致Chip1和Chip44位置的芯片溫度過高。

(2)對原有設計方案進行優化，將Chiip1發熱元件上移至NT板風速較大區域，利用風扇冷風來降低芯片熱量，在提高空氣利用率同時提高Chip1散熱效率。仿真結果表明，NT2面板上的Chip1最高溫度僅為85.21 ℃，優化方案滿足了預期要求。同時其他各類元器件溫度場變化幅度保持在1 ℃范圍，各元器件溫差范圍縮小，有效解決了局部溫度不均問題。