某型多功能設備的熱設計及仿真

何定全，潘科，金鑫，趙鎮榮，江浩然

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽 621000)

0 引言

近年來，電子設備的小型化、集成化、高功率及多功能成為發展主流。從器件級到組件級，從組件級到系統級，隨著組裝密度的提高，熱損耗也在不斷增加。有研究表明器件級的熱流密度僅比太陽表面的熱流密度低兩個數量級[1]，如此高的熱流密度，若沒有合理的控制技術，必將損壞整個設備。據統計，電子設備的失效有55%是溫度超過允許值而引起的[2]。

為了保證電子元器件和設備良好而穩定的工作，電子領域的熱分析和控制技術得到了普遍的發展和重視。目前，對電子設備的熱控制分析技術主要有基于經典公式推導的理論計算[3-4]、基于計算機分析方法的數值仿真[5-6]及實驗測試[7-8]等方法。其中基于經典公式推導的理論計算常常需要對求解問題或模型進行一定假設簡化和理想化，僅考慮部分因素的影響，而沒有考慮本身流場及具體邊界條件對傳熱過程的影響，獲得的結果較為線性、簡單且具有局限性。傳統的實驗測試方法準備周期長、投入成本大，且需要經過專門策劃并配套相應設備、場地及人員，為了獲得可信結果需要反復迭代實驗。因此基于計算機分析方法的數值仿真已成為電子設備熱控分析技術的主流，數值仿真的物理模型是一個完整模型，并沒有將影響因素假設簡化，它從細節上去描述整個傳熱過程，采用能量守恒、質量守恒及動量守恒等方程去控制整個求解迭代過程，并考慮具體邊界條件、外部環境及實際流場分布等因素的影響，獲得的結果更接近實際情況。

本文以某型多功能設備為研究對象，在實現該設備復雜通信功能的基礎上，充分考慮設備結構、工藝、制造及使用環境條件等因素，先根據該設備的對流換熱系數對其散熱冷卻方式進行了確定，并對各個功能部件具體的熱耗分布進行了分析說明，然后結合設備結構空間布局，使用導熱硅脂、導熱墊、導熱凸臺及散熱齒等具體手段，保證將熱耗充分控制并迅速傳遞出去，最后采用有限體積法對該設備的散熱過程進行數值仿真，以驗證整個設備熱設計的合理性。

1 散熱方式

某型多功能設備主要實現信號發射、信號接收及通信對抗等功能，涉及頻段較寬，通道數量較多，全功能滿功率工作時總熱耗為99.48W。設備基本外形如圖1所示，最大外形尺寸為354mm×354mm×79mm。

圖1 多功能設備外形

通常，對元器件或設備與外部環境之間的對流換熱過程所傳遞的能量，可按牛頓方程來定義。它假設設備的固體表面和流體間的換熱量與它們之間的溫差成正比，其具體方程表達式為：

式中：Φ為總換熱量(W)，hc為換熱系數(W/(m2·℃))，A為固體壁面換熱面積(m2)，tw為固體壁面溫度(℃)，tf為流體溫度(℃)。

多功能設備輻射陣面天線罩采用傳熱效率低的復合材料，此面換熱面積將暫不考慮，結合圖1外形得到多功能設備的固體壁面換熱面積為0.209 7m2。多功能設備使用的元器件種類、數量較多，正常工作時功放管以外的元器件溫升不得超過40℃。將總熱耗、換熱面積及溫升代入上式，得到多功能設備正常工作需要的換熱系數為11.86W/(m2·℃)，而靜止空氣的對流換熱系數為6W/(m2·℃)，顯然自然冷卻已無法實現多功能設備的散熱，本文將采用強迫風冷的方式對設備熱耗進行分析控制。

2 熱耗分布

多功能設備結構空間布局如圖2 所示，設備電路主要包含陣面天線、射頻電路A、射頻電路B、數字電路、電源電路及功分網絡。

圖2 多功能設備空間布局

陣面天線為無源組件，主要實現信號的發射與接收，將不對其進行熱耗考慮；射頻電路A 熱耗主要包含推動級損耗、增益放大損耗、功放損耗及其他芯片損耗等，其總熱耗為47.17W；射頻電路B 熱耗主要包含低噪放損耗、時鐘本振損耗、干擾電路損耗及其他芯片損耗等，其總熱耗為19.05W；數字電路熱耗主要包含處理器損耗、轉換器件損耗、其他芯片損耗及電路損耗等，其總熱耗為18.7W；電源電路熱耗主要包含電源器件損耗、其他芯片損耗及電路損耗等，其總熱耗為9.5W；功分網絡熱耗主要包含電路損耗及器件損耗，其總熱耗為5.06W。多功能設備各個功能電路具體熱耗分布如表1所示。

表1 設備熱耗分布

3 熱控制設計

多功能設備使用要求為常溫環境20℃工作時，內部元器件最高溫升不超過40℃，功放管溫升不超過120℃。該設備熱控制設計的基本任務是在熱源與熱沉之間獲取一條最優路徑的低熱阻通道，保證熱量在規定的環境條件下快速傳導出去，以滿足設備的使用要求。

根據多功能設備空間布局，其具體熱控制方式為：設備腔體及蓋板材料采用鋁合金5A06，天線罩材料采用環氧玻璃鋼，局部支撐結構材料采用PMI 泡沫，緊固螺釘材料采用不銹鋼。腔體整體采用數控加工，最小刀具圓角1.5mm，腔體側壁厚度7.6mm，中間分腔壁厚2mm，底部厚度3mm，底部粗糙度小于3.2，腔體局部鍍金，鍍金后粗糙度小于1.6，其余表面導電氧化處理。蓋板采用激切加工，小蓋板厚度1mm，大蓋板厚度1.5mm，蓋板表面導電氧化處理。天線罩采用陽模一次固化成型，厚度1.7mm，表面噴漆處理。局部支撐結構采用數控加工，厚度漸變，加工及裝配前須烘干除濕。陣面天線與后端對插，并通過螺釘安裝在腔體正面蓋板上。射頻電路A 通過螺釘安裝在腔體底部正面、射頻電路B通過螺釘安裝在腔體底部反面，電路表貼發熱器件背面設置金屬化陣列孔，其余發熱器件通過螺釘安裝在腔體底部，并在安裝貼合面墊銦箔。電源電路及功分網絡通過螺釘安裝在腔體反面蓋板上，所有安裝貼合面涂導熱硅脂，電路表貼發熱器件背面設置金屬化陣列孔，并加導熱墊。數字電路通過金屬凸臺懸空安裝在腔體反面蓋板上，發熱器件表面涂導熱硅脂并加導熱墊。采用4個12V直流風扇對設備進行強迫風冷，風扇轉速2 400，并設計散熱齒配合風扇，散熱齒外形尺寸4mm×4mm，齒高有11mm及26mm兩種。

4 數值仿真

在電子設備工程領域，數值仿真因具有速度快、節約成本且能獲得更準確結果的特點，已成為評估設備散熱是否合理的主要手段。多功能設備數值仿真過程主要包含建立熱模型、模型求解及結果分析三個部分內容。具體仿真過程如下。

4.1 建立熱模型

建立熱模型的主要方式為直接建模及導入建模。使用仿真軟件的模型工具一步步建立仿真模型即為直接建模；將外部CAD模型導入仿真軟件修復后獲得仿真模型即為導入建模。因多功能設備布局的復雜性，本文將采用直接建模與導入建模相結合的方式來獲得多功能設備的熱仿真模型，且為了建立準確而干凈的熱仿真模型，在不影響設備散熱路徑的原則下，將刪除螺紋孔、螺釘及螺母，刪除小特征尺寸的圓角及倒角，刪除與熱仿真無關的電纜及連接器等。

4.2 模型求解

模型求解包含求解設置及求解計算兩部分內容。求解設置需要根據實際問題設置相關模型參數，如環境條件、自然對流參數、輻射模型、湍流模型及邊界條件等；求解計算則在設置完成后由計算機自行完成。

為了保證多功能設備熱模型求解的精度及速度，須根據該設備實際使用條件設置模型參數，具體設置內容為：環境溫度20℃，流體材料為空氣，固體材料為鋁合金；求解變量包含流場、溫度場及重力矢量，流體流態為湍流，模型方程為增強兩方程；開啟輻射換熱，輻射模型為離散坐標輻射模型；開啟自然對流換熱，重力方向為Z向，模型方程采用布辛涅司克假設簡化密度；壓力項離散格式為標準格式，動量項及溫度項離散格式均為一階格式；壓力項松弛因子取0.3，動量項松弛因子取0.7，溫度項松弛因子取1；求解器為穩態求解器，求解收斂標準是能量方程、質量方程及動量方程同時收斂；按熱耗分布表進行熱耗設置，按實際情況設置材料參數、風扇曲線及計算區域邊界；采用非結構網格生成器進行網格生成，并采用裝配體技術控制網格數量及質量；設置溫度監控點以判斷網格數量質量的合理性及計算結果的收斂性。

完成上述求解設置后，即可進行多功能設備熱模型求解計算，從而獲得相關計算結果。

4.3 結果分析

環境溫度20℃時，多功能設備外表面溫度分布云圖如圖3所示。從圖中可知，最高溫度為30.91℃，位于散熱齒下部金屬板；最低溫度為20.2℃，位于風扇進風口。除去風扇，多功能設備外表面溫度范圍為25℃-30.91℃，溫度梯度較小，說明該設備內部熱源布局均勻分散，能及時通過傳熱路徑將產生的熱量傳導至外表面。

圖3 多功能設備外表面溫度分布

環境溫度20℃時，多功能設備內部電路溫度分布云圖如圖4-圖6所示。從圖中可知，射頻電路A最高溫度為45.35℃，位于印制板表面0.87W 芯片上；射頻電路B 最高溫度為49℃，位于印制板表面1.1W 芯片上；數字電路最高溫度為45.16℃，位于印制板表面6.5W 處理芯片上。顯然，使用環境溫度20℃時，各電路溫升均未超過40℃，可以正常工作。

圖4 射頻電路A溫度分布

圖5 射頻電路B溫度分布

圖6 數字電路溫度分布

多功能設備內部共使用5只功放管，從圖7可知，功放管最高溫度為37.52℃，該最高溫度為功放管外表面溫度。功放管熱耗為8W，具有獨立封裝，封裝熱阻為6.3℃/W，利用熱阻定義計算得到功放管內部溫度為87.92℃。顯然，使用環境溫度20℃時，功放管溫升未超過120℃，可以正常工作。

圖7 功放管溫度分布

5 結論

本文對某型多功能設備熱控制進行了設計，并采用有限體積法對該設備的散熱過程進行了數值仿真，仿真結果表明該設備在常溫環境20℃下全功能滿功率工作時，內部元器件最高溫升未超過40℃，功放管溫升未超過120℃，均可正常使用，說明整個設備熱設計合理，能及時將內部熱量傳導至外部環境。