基于FloTHERM 的密閉風(fēng)冷機(jī)箱熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

郭小強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610000）

引言

隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，芯片功耗越來越大，電子產(chǎn)品集成度越來越高，電子設(shè)備的失效有55 %是溫度超過許用值引起的，過熱損壞已是電子設(shè)備失效最常見的原因[1,2]。對(duì)于電子產(chǎn)品而言，每升高10 ℃，電子元器件的失效率將增加一倍，這大大影響電子產(chǎn)品的壽命和可靠性[3]。

空氣冷卻分為自然對(duì)流散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，自然對(duì)流散熱冷卻方法廣泛的應(yīng)用在低功率設(shè)備上，很多大功率電子設(shè)備的冷則需采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，這是因?yàn)閺?qiáng)迫風(fēng)冷的換熱量比自然對(duì)流和輻射的要大到10倍左右[4,5]。

電子設(shè)備風(fēng)冷散熱的冷卻效果與流場有密切關(guān)系，必須合理設(shè)計(jì)流道，對(duì)電子元器件進(jìn)行散熱冷卻，保證機(jī)箱能夠正常工作。本文運(yùn)用FloTHERM 熱仿真分析軟件對(duì)某密閉風(fēng)冷機(jī)箱進(jìn)行熱仿真分析驗(yàn)證，利用Command Center 優(yōu)化模塊對(duì)冷板的翅片厚度和數(shù)量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到翅片厚度和數(shù)量的最優(yōu)組合，使功放熱源最高溫降低了3.5 ℃，提高機(jī)箱的使用壽命。

1 某密閉機(jī)箱基本結(jié)構(gòu)

某小型密閉機(jī)箱尺寸為480 mm×320 mm×177 mm，可以實(shí)現(xiàn)19 英寸機(jī)柜內(nèi)安裝和室外安裝。機(jī)箱由功放模塊和電源光電模塊拼裝組成，功放模塊和電源光電模塊都采用密封設(shè)計(jì)，模塊由蓋板和盒體組成。各模塊內(nèi)部的發(fā)熱器件首先將熱量傳導(dǎo)到模塊的盒體上，功放芯片由于熱流密度高，借助純銅基板將熱量快速傳導(dǎo)到盒體上，模塊盒體底部外側(cè)設(shè)計(jì)有散熱翅片，兩個(gè)模塊拼裝后，散熱翅片齊平形成共有風(fēng)道，機(jī)箱一側(cè)設(shè)計(jì)有風(fēng)機(jī)組件，機(jī)箱另一側(cè)設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)孔。

機(jī)箱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷抽風(fēng)散熱，冷風(fēng)從機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道，流經(jīng)機(jī)箱散熱翅片，最后從風(fēng)機(jī)流出。通過風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)氣流從風(fēng)道散熱齒表面流過，將熱量帶走，從而達(dá)到機(jī)箱散熱目的。

機(jī)箱最高工作溫度為+60 ℃，機(jī)箱總熱耗為591 W，其中功放模塊357.5 W，機(jī)箱所需的通風(fēng)量，按熱平衡方程進(jìn)行估算：

式中：

P—設(shè)備功耗，591 W；

ρ—空氣密度，估算時(shí)可取ρ=1 kg/ m3；

Cp—空氣定壓比熱，估算時(shí)取Cp=1 000 J/kg.℃；

Δt—進(jìn)出風(fēng)口溫差，取Δt=6 ℃。

受設(shè)備實(shí)際工作環(huán)境的影響，風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量的一般為風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)風(fēng)量1.5 倍。機(jī)箱所需風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量Qmax=1.5 Qv=532 m3/h。結(jié)合機(jī)箱外形，機(jī)箱選擇6 個(gè)尺寸為60 mm×60 mm×32 mm 的風(fēng)機(jī)布置于機(jī)箱一側(cè)來對(duì)機(jī)箱抽風(fēng)散熱，風(fēng)機(jī)最大靜壓462.6 Pa，最大流量108 m3/h。

機(jī)箱結(jié)構(gòu)件主體材料為防銹鋁5A06，該材料強(qiáng)度高，耐蝕性好，加工性良好同時(shí)具有很好的傳熱能力。功放模塊中有多個(gè)功放芯片，功放芯片熱耗高體積小，熱流密度很大。為了將功放芯片的熱量快速傳導(dǎo)出，將功放芯片與銅基板貼合，借助銅板的高傳熱能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)功放芯片快速傳熱的目的。

功放模塊和電源光電模塊的最大散熱冷板尺寸都為444 mm×248 mm，功放模塊散熱翅片高度為31.5 mm，底板厚度3 mm；電源光電模塊散熱翅片高度為20 mm，底板厚度為2.5 mm。初步設(shè)置兩個(gè)冷板翅片厚度為1.5 mm，翅片數(shù)量均為80，翅片間隙為4.1 mm。

2 機(jī)箱的熱仿真分析

采用熱仿真軟件FloTHERM 對(duì)機(jī)箱在最惡劣條件下工作進(jìn)行仿真，即環(huán)境溫度為60 ℃時(shí)，要求機(jī)箱內(nèi)元器件最高溫度不超過 100 ℃。

2.1 熱耗分布

機(jī)箱總熱耗591 W，其中功放模塊357.5 W，電源光電模塊233.5 W。機(jī)箱熱耗分布圖見圖2。

圖1 整機(jī)外形示意圖

圖2 損耗分布圖

2.2 參數(shù)設(shè)置

機(jī)箱工作環(huán)境為地面條件，環(huán)境溫度+60 ℃，采用FloTHERM 軟件仿真計(jì)算，設(shè)備表面發(fā)射率0.8，機(jī)箱的進(jìn)風(fēng)孔為圓孔，這里采用多孔板等效替代，通過計(jì)算模擬，多孔板開孔率設(shè)置為0.6。

機(jī)箱主要材料熱物理屬性及參數(shù)設(shè)定如表 1、2 所示。

2.3 初步仿真結(jié)果

通過仿真計(jì)算，得到機(jī)箱外表面溫度云圖見圖3，機(jī)箱的氣流跡線圖見圖4，機(jī)箱內(nèi)部主要散熱芯片溫度云圖見圖5。由仿真結(jié)果可得，功放熱源最高溫為88.3 ℃，主要功放熱源的計(jì)算殼溫為（85 ～88.3）℃，均低于器件最高允許殼體溫度100 ℃，符合散熱要求，但余量較?。粰C(jī)箱散熱齒間風(fēng)速為（7 ～12）m/s 不等，由于散熱齒間距較寬，有效的換熱面積較少，散熱效率較低，可對(duì)散熱翅片的厚度和數(shù)量進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低功放熱源的溫度。

圖3 機(jī)箱外表面溫度云圖

圖4 機(jī)箱氣流跡線圖

圖5 機(jī)箱內(nèi)部主要散熱芯片溫度云圖

3 優(yōu)化分析

3.1 響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)箱冷板基體尺寸為444 mm×248 mm×2.5 mm，散熱翅片高度為58 mm，在散熱冷板外形尺寸等確定的條件下，利用FloTHERM軟件中的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊Command Center 對(duì)翅片的厚度和數(shù)量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)。以齒厚（0.5 ～2.5 mm） 和翅片數(shù)量（40 ～150） 為輸入變量，以功放熱源最高溫為輸出變量，建立目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化仿真。輸入變量及變化范圍如表3 所示。Command Center 優(yōu)化模塊自動(dòng)生成16 組試驗(yàn)方案如表4 所示。

表1 機(jī)箱材料傳熱系數(shù)

表2 不同物體間接觸熱阻參數(shù)

表3 輸入變量及變化范圍

表4 試驗(yàn)方案

3.2 結(jié)果分析

通過優(yōu)化分析，得到翅片厚度和翅片數(shù)量在變化范圍內(nèi)的最優(yōu)組合見表5?？梢缘贸龀崞瑪?shù)量為128 個(gè)，翅片厚度為1.43 mm為最優(yōu)解組合，機(jī)箱溫度最低，最優(yōu)解所對(duì)應(yīng)的功放熱源最高溫由88.3 ℃降溫84.8 ℃，降低了3.5 ℃，效果顯著。

表5 輸入變量最優(yōu)組合

圖6 為功放熱源最高溫隨翅片厚度、翅片數(shù)量變化的優(yōu)化響應(yīng)面，圖7 為不同翅片厚度情況下數(shù)量對(duì)功放熱源最高溫度的影響，通過仿真結(jié)果，可以得出：

圖6 功放熱源最高溫度隨翅片厚度、翅片數(shù)量變化的優(yōu)化響應(yīng)面

圖7 不同翅片厚度情況下數(shù)量對(duì)功放熱源最高溫度的影響

1）當(dāng)翅片厚度從（0.5 ～2.5）mm 不斷增加時(shí)，功放熱源的最低溫點(diǎn)所求得的翅片數(shù)量從130 個(gè)到80 個(gè)逐步減小。在冷板基體尺寸444 mm×248 mm×2.5 mm 不變的情況下，翅片厚度增加后，翅片數(shù)量減少可以保證散熱翅片間距足夠，才可以更高效的進(jìn)行散熱。

2）翅片厚度和數(shù)量并不是簡單的越小或者越大，冷板的散熱能力就越好，只有最合適翅片厚度和個(gè)數(shù)組合，保證散熱翅片充分換熱才可以最優(yōu)化發(fā)揮散熱冷板性能。

3）當(dāng)翅片數(shù)量超過130 個(gè)時(shí)，功放熱源最高溫急劇上升，這是由于冷板總尺寸444 mm×248 mm×2.5 mm 不變的情況下，當(dāng)數(shù)量超過某一值后，翅片的間隙變小，流動(dòng)阻力增大，換熱效果降低。

4）翅片厚度變化時(shí)，最優(yōu)的翅片間隙也在不斷變化，對(duì)于常用的（1 ～2.5）mm 厚的冷板翅片，其最優(yōu)的翅片間隙在（2~3）mm 左右。

4 結(jié)論

本文利用FloTHERM 軟件中的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊Command Center 對(duì)翅片厚度和翅片數(shù)量進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到翅片厚度1.43 mm 和數(shù)量128 個(gè)的最優(yōu)組合，使功放熱源最高溫降低了3.5 ℃，效果顯著。通過仿真分析得出：冷板翅片厚度與翅片個(gè)數(shù)對(duì)散熱效果的影響是相關(guān)聯(lián)的，只有選擇最合適翅片參數(shù)才可以最優(yōu)化發(fā)揮散熱冷板性能。本文對(duì)翅片厚度和翅片數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)，事實(shí)上對(duì)于翅片高度、冷板基體尺寸、冷板基體厚度、翅片類型等參數(shù)同樣可以借助響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)找到最優(yōu)組合。