通信設備熱設計的機械結構設計措施研究

楊 瓊

（京信網絡系統股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著科學技術的不斷發展，計算機輔助熱設計的處理方式被廣泛應用，借助數值模擬熱分析技術等建立有效評估，從而更好地維持散熱效果，提升通信設備環境控制的實效性。

1 通信設備熱設計

在通信設備熱設計的機械結構設計工作中，需要明確通信設備熱設計的情況，了解熱結構傳導的具體方式，從而建立針對性的機械結構設計處理方案，有效提升設計的規范性和可控性，維持良好的結構熱環境應對效果，提升通信設備運行的穩定性和安全性。

1.1 熱結構傳導方式

在通信設備熱結構傳導過程中，主要方式包括熱傳導、熱對流以及熱輻射。不同的熱結構傳導方式要按照不同的計算方式進行分析，并針對其實際情況選取適當的處理方案。

熱傳導中的熱流量計算公式為

式中：λ表示熱傳導系數；A表示熱傳導方向橫截面積；表示溫度變化率。

熱交換主要載體為流動液體，借助接觸設備表面，利用冷卻處理或對流完成熱量交換。熱交換中的熱流量計算公式為

式中：α表示熱傳遞系數；A表示熱傳導方向橫截面積；Δt表示流體和接觸器件表面的溫度差。

電磁波向外發射能量粒子，電磁輻射的外輻射和吸收輻射疊加重合產生熱能。熱輻射中的熱能計算公式為

式中：ε表示熱發射率；Eb表示理想狀態下物質最大輻射能。

1.2 熱設計要點

在通信設備熱設計準則支持下，要對設備運行產生的熱量予以合理性控制，配合相應的傳遞方式維持熱量的可控性，提高系統散熱的整體效果，保證設備和系統熱設計效果最優化。對于熱系統結構而言，能滿足器件運行溫度、熱阻、功耗等指標，配合強制冷卻裝置運行限制等，最大程度上提高熱環境應用控制效果。

系統級熱設計將通信機柜、通信機箱和方艙等設計內容予以融合。系統封裝級熱設計針對的是通信系統的對應模塊，主要包括電源模塊、接口模塊、數據處理模塊等，配合散熱裝置、印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）等完成設計。系統組件級熱設計則針對的是功率器件和硅元器件等，在統籌處理基礎上，熱設計能對設備溫度環境予以研究和分析，完成邊界條件的分析，整個設計過程要對設備運行環境溫度等進行調控。封裝級熱設計和系統組件級熱設計處理環節中，要全面評估電路布局內容和結構構造內容，并分析器件過熱、溫度應變和熱應力變化等情況引起的失效問題。除此之外，為了保證熱設計的完整性和可控性，借助ANSYS等計算機輔助軟件開展仿真測試，配合計算流體動力學熱分析過程簡化熱設計模型，更好地獲取計算分析和仿真結果[1]。

1.3 基本設計流程

為了保證設備熱設計的規范性和科學性，要按照標準規范開展具體工作，以確保處理效果最優化。具體流程包括：（1）對需要測試和處理的設備加熱；（2）分析冷卻要求；（3）計算環境溫度或邊界條件；（4）設計模型；（5）確定材料和熱交換方式；（6）計算機輔助程序熱設計；（7）仿真測試和分析；（8）文件輸出和溫度分布圖驗證分析。

2 通信設備熱設計的機械結構設計

以32X2.5G密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexer，DWDM）終端設備熱設計為研究對象，結合其實際應用標準開展熱設計評估工作，從而滿足機械結構設計的基本規范。

2.1 終端設備熱分析

在終端結構正常工作范圍內，設備各個子架在規定功率參數范圍內開展相應工作。結合終端設備子架相關功率參數進行統籌分析，32X2.5G DWDM終端設備中的光放大設備功率為110 W，光信道子架設備功率為245 W，DWDM終端設備功率為600 W，監控子架功率為110 W。在子架配置滿足的基礎上，單盤數量要符合規定。受電磁屏蔽的影響，子架單盤和上下托盤之間左右側板則直接形成密集金屬盒體，對子架內單盤散熱產生影響，長此以往單盤和芯片受損的問題就會加劇，影響設備運行的規范性和合理性，需及時解決該問題[2]。

2.2 子架設備熱設計

在整個系統中，為了保證設備熱量不會出現堆積等現象，要對各個部位進行集中設計和分析處理，確保相應的手段能發揮實際作用，提升子架設備熱設計的規范性和可控性。一般采取涂覆、安裝電扇、合理布局等方式，從整體熱傳遞的角度出發，避免相應元件熱量較高造成的不良影響。

對子架下托盤安裝的單盤進行涂覆處理，有效提升托盤散熱和吸熱效果。一般而言，要采取黑色氧化處理工序，有效增加托盤結構的吸熱量，維持托盤散熱效果，避免熱量堆積對元件運行安全性造成影響，實現良好的熱傳遞。

在功率較大的電子元件上設置銅導熱條或鋁導熱條，配合使用相應的小風扇，維持散熱的及時性和可控性。只有建立完整且可控的熱量疏導處理模式，才能減少熱量堆積造成的不良影響，提升可控化管理水平，避免子架內溫度較高產生的負面影響。

在保證單盤連接處于良好狀態的基礎上，要在背板位置上設置對應數量的孔洞，以便維持子架的散熱效果。與此同時，在左側板、右側板、子框上下托盤以及單盤面板等區域采用鋁合金設備，確保冷空氣能直接對接元件，提升其冷卻水平。

結合子架設備的應用運行標準合理安排對應元器件的實際位置，尤其是PCB板上的電子元件，只有保證安裝結構的合理性，才能降低散熱穩定性不足造成的熱傳導等問題，打造良好的熱設計處理模式。將一些不耐熱的元件設置在冷卻氣流的入口位置，將一些耐熱性較好的元件設置在冷卻氣流的出口位置，形成良好的熱交換空間和路徑，確保相應的傳輸過程能和氣流流動的方向維持一致，從根本上避免熱量的交替傳導，提升元件運行環境的穩定性。除此之外，要將一些發熱量較大的電源盤直接安插在子框結構的外側，避免其內部產生溫度堆積，降低功能盤熱輻射造成的影響，維持良好的熱設計效果。

結合實際應用環境，可以采取強迫通風散熱處理方式，借助風機完成抽風和鼓風處理，加快設備內部空氣流動的速度，有效滿足散熱的實時性需求。在子架下面安裝鼓風風扇子架，盡量增加進出風口的距離和高度差，在實現自然對流的同時，充分考量熱空氣密度小的特點安裝風扇子架抽風，避免子架內溫度超出預期標準，打造更加安全可靠的熱環境[3]。

2.3 終端整機熱設計

子架中電子元件數量較多，通常會產生較大的風阻，且設備一般處于長期工作狀態，自然散熱的處理方式并不能滿足其應用要求和散熱處理標準，因此要對其進行終端整機散熱處理控制。利用風扇子架完成熱設計，包括3個3.5 W直流風扇，采取并聯處理方式，子架高度設置應滿足實時性應用要求，并配合自然對流處理，從而更好地降低子架內溫度。

與此同時，為了有效提升風扇子架結構和DWDM終端設備運行的規范性水平，要整合具體的應用框架，配合設備正常工作的應用要求，在風扇子架面板上設置對應告警裝置，一旦檢測出風扇存在相關問題就能及時告警，從而更便捷地完成風扇實時性檢測管理。在機柜頂部電源和環境監控板位置設置溫度檢測功能模塊，針對子架溫度超出警戒溫度的問題進行告警處理，提升統籌控制的規范性和科學性。

2.4 熱實驗

在完成32X2.5G DWDM終端設備熱設計工作后，對其進行高溫實驗，了解具體設計的實際運行情況。實驗結果如表1所示。

表1 實驗測試結果

根據相應的測試結果，對應的處理方案和熱設計控制模式具有良好的應用效果。32X2.5G DWDM終端設備72 h內高溫環境在線熱測試通信誤碼率均為0，證明產品的實際熱設計方案滿足規范運行要求，能實現長期安全穩定運行[4,5]。

3 結 論

通信設備熱結構設計工作涉及內容較多，為了全面提升其設計效果，要在考量地域環境溫度的同時，保證工程設計內容符合具體要求和標準。在掌握微電子結構的同時，結合計算機輔助熱設計開展工作，充分發揮熱交換器等新型設備的應用優勢，從而為通信設備熱設計效率的提升奠定基礎。