一種便攜式控制機箱的散熱改進分析

田洪寶，衛(wèi)劍梅，雷 鵬

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

便攜式控制機箱由于重量輕、內(nèi)部空間大、攜帶方便、內(nèi)部可放置多個模塊和板卡，被廣泛用于戶外設備的供電、信號采集及傳輸。這種機箱主要采用鋁合金外殼并噴涂三防抗鹽霧保護漆層。該機箱的工作環(huán)境多為戶外，且需長時間經(jīng)受陽光直射，因而會導致機箱內(nèi)部出現(xiàn)一定溫升。另外，由于機箱內(nèi)部板卡集中，發(fā)熱模塊較多，長時間連續(xù)工作也會導致多個模塊之間相互發(fā)生熱輻射或通過框架發(fā)生熱傳導進而導致機箱板卡局部區(qū)域出現(xiàn)熱量集中或熱耦合現(xiàn)象。部分板卡模塊的控制芯片均有嚴格的臨界工作溫度，如果機箱內(nèi)部器件布局或總體散熱設計不合理，將導致內(nèi)部各發(fā)熱源向外散熱的效率低，可能造成部分板卡模塊芯片的高溫失效，進而嚴重影響所控制設備的正常使用。

1 控制機箱實際概況及熱力學分析

便攜式控制機箱外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機箱外殼由6061-T651 優(yōu)質(zhì)鋁合金拼接而成，尺寸為300 mm×200 mm×165 mm。機箱內(nèi)部板卡安裝采用標準間距的滑槽導向固定，板卡借助支撐框架和擰緊機構(gòu)進行固定連接，板卡與底板通過接插件連接，其他模塊如溫控模塊、交換機模塊、編碼器模塊、遠程繼電器模塊及電源模塊等均采用發(fā)熱面背貼鋁合金安裝板的方式固定。

圖1 便攜式控制機箱外形結(jié)構(gòu)

密閉式機箱主要依靠內(nèi)部模塊及支撐框架間在重力作用模式下的熱傳導和輻射換熱來進行散熱，其一般散熱計算公式要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)考慮內(nèi)部熱傳導和熱輻射兩項基本參數(shù)，計算公式為

式中：W1為箱體散熱量，W；SS為機箱內(nèi)側(cè)面積，ST為機箱上頂面面積，m2；SB為機箱下底面面積，m2；ΔT為機箱內(nèi)外溫差，℃；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，為5.67×10-8W·m-2·K-4；ξ為物體的表面黑度（表面輻射率）；TM為環(huán)境溫度和外壁面溫度的平均值，℃；S為箱體外表面面積，m2。

各模塊主要依靠自然散熱方式進行熱量散發(fā)。各模塊熱量借助安裝支架和擰緊機構(gòu)將熱量傳導至框架，進而借助自然散熱或外部風吹帶走熱量。機箱結(jié)構(gòu)合理簡化后，內(nèi)部各部分組成如圖2 所示。

圖2 便攜式控制機箱內(nèi)部組成

經(jīng)參考相關(guān)模塊的技術(shù)資料及多次實測對比，獲得各板卡及模塊的平均發(fā)熱功率，如表1 所示。

表1 機箱內(nèi)部各發(fā)熱模塊發(fā)熱功率統(tǒng)計表

機箱內(nèi)部總發(fā)熱功率達到56.8 W。經(jīng)查詢，主要核心器件主控板的控制芯片耐熱極限為70 ℃，跟蹤板的控制芯片耐熱極限為70 ℃，電源的耐熱極限為80 ℃。

為加快仿真速率，借助三維軟件對機箱進行合理簡化，對部分不影響內(nèi)部散熱結(jié)果的結(jié)構(gòu)件及螺紋孔特征進行簡化。簡化后的機箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 特征簡化后的機箱結(jié)構(gòu)

將模型導入仿真軟件，再次利用自帶的SIMPLY功能對模型進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可計算的模型。轉(zhuǎn)換后的模型完整地進行了特征保留，同時將各部分模塊轉(zhuǎn)換為ICEPAK 軟件可識別的模塊類型[1-2]。轉(zhuǎn)換后的機箱特征如圖4 所示。

圖4 模型轉(zhuǎn)換后的機箱結(jié)構(gòu)

將環(huán)境溫度設置為35 ℃，選擇Zero-equation湍流模式和沿著Z軸的重力加速度，打開輻射選項，以確保各模塊間能進行熱量輻射交換。在property內(nèi)部對各模塊進行材料賦予及發(fā)熱功率添加，其中發(fā)熱較大的電源模塊、主控板及跟蹤板需額外添加發(fā)熱源[3]。板卡模塊熱源添加如圖5 所示。

圖5 添加板卡模塊熱源

主控板及跟蹤板組件平面二維剖切溫度場仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。主控板及跟蹤板組件的三維溫度場仿真結(jié)果如圖8 所示。電源模塊的三維溫度場仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖6 主控板組件平面二維剖切溫度場

圖7 跟蹤板組件平面二維剖切溫度場

圖8 主控板、跟蹤板組件三維溫度場

圖9 電源模塊三維溫度場

由仿真結(jié)果可見，電源模塊的發(fā)熱較大，其附近熱量相對較高，且熱量通過機箱壁板陸續(xù)傳遞到附近的板卡和其他器件。主控板與跟蹤板因距離較近，兩者安裝框架發(fā)生了熱傳導交換，兩種板卡的芯片部位熱量均較高，最高溫度均超過了各自的極限耐受溫度。因箱體封閉，箱內(nèi)熱量僅能通過箱體壁向外散發(fā)熱量，散熱效率有限[4]。導致該問題的原因主要有以下4 個。

第一，主要工作板卡主控板和跟蹤板布置過于靠近，導致熱量通過擰緊框架進行持續(xù)的熱傳導，進而出現(xiàn)兩個板卡之間的熱傳導交換，加劇了板卡的升溫速度。

第二，電源模塊固定在機箱鋁合金后殼，由于系統(tǒng)模塊較多且均需供電，導致其發(fā)熱功率也比較高，為主要熱源。熱量沿著由高到低的傳播路徑不斷地向其他溫度相對較低的模塊轉(zhuǎn)移，導致電源安裝板附近形成了較高的熱源擴散。

第三，熱耦合。板卡之間的主要發(fā)熱芯片距離較近，由于無風扇吹動，熱量只會在重力作用下擴散，通過熱輻射的方式進行不斷傳遞，造成互不直接接觸的器件之間的間接熱耦合，進而加劇了機箱內(nèi)溫度上升勢頭。

第四，框架傳熱。機箱內(nèi)部框架多為鋁合金材料，導熱系數(shù)較高。如果內(nèi)部熱量無法及時散發(fā)，機箱框架也會間接地成為熱源，進而導致熱量四處擴散。

由仿真結(jié)果可知，主控板最高溫度已超過臨界溫度70 ℃，跟蹤板局部最高溫度已超過臨界溫度70 ℃，電源模塊部位最高溫度已達到74 ℃，電源模塊熱量和箱體內(nèi)部板卡之間發(fā)生了熱交換，導致箱內(nèi)多個器件極限溫度出現(xiàn)了大幅上升，進而導致部分板卡超過耐受極限溫度而失效。

2 控制機箱的內(nèi)部散熱改進思路

考慮到機箱內(nèi)部布置和發(fā)熱情況，考慮從以下5 個方面[5-6]實施改進：將主要發(fā)熱源與其他熱源做絕熱隔離，降低熱傳導效率，拉遠傳熱路徑；機箱內(nèi)部熱量之間通過熱傳導傳播，將主要發(fā)熱器件距離拉遠，降低相互間的熱耦合；對主要發(fā)熱源上的芯片等核心器件加裝翅片散熱，降低核心芯片的高溫聚集；由于機箱主要放在空曠干燥的地方，為實現(xiàn)內(nèi)部熱量的良好散發(fā)，在機箱內(nèi)部形成貫通通道，幫助熱量散失；對發(fā)熱芯片加裝風道，風道直吹發(fā)熱芯片，快速帶走熱量。

因此，結(jié)合工程實際可操作方式，提出以下改進措施。

第一，電源為主要熱源，要實現(xiàn)其與第二熱源跟蹤板的隔離，將其挪至機箱外部放置，并在發(fā)熱源安裝面上加工翅片進行對外傳導散熱。同時，在機箱和電源模塊之間加裝低導熱率的硅膠墊，進行熱傳導隔離。

第二，拉大主控板與跟蹤板板卡的上下安裝間距，同時更改板卡固定框特征，避免框架距離過近。

第三，針對板卡組件的主要芯片發(fā)熱源加裝散熱翅片，同時在前蓋特定位置開窗，進行風吹散熱。芯片的散熱翅片迎風安裝，以快速帶走熱量。

第四，在前蓋上正對兩個板卡發(fā)熱芯片的位置加裝散熱風道，在機箱后殼上加裝兩個3010 系列抽風風扇，在電源模塊盒體側(cè)部加裝4 個3010 系列抽風風扇。這樣，箱體風扇直吹電源模塊輔助散熱，電源模塊風扇將內(nèi)部熱量持續(xù)抽出，同時進風道可實現(xiàn)主發(fā)熱芯片的熱量散失。

當機箱散熱除了熱傳導和熱輻射，添加了外部對流時，箱體的散熱量計算發(fā)生了變化，具體計算公式為

式中：W1為箱體散熱量，W；SS為機箱內(nèi)側(cè)面積，m2；ST為機箱上頂面面積，m2；SB為機箱下底面面積，m2；ΔT 為機箱內(nèi)外溫差，℃；σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，為5.67×10-8W·m-2·K-4；ξ 為物體的表面黑度（表面輻射率）；TM為環(huán)境溫度和外壁面溫度的平均值，℃；S 為箱體外表面面積，m2；μ 為通風口處風速，m·s-1；A 為通風口面積，m2。

控制機箱內(nèi)部改進點如圖10 所示。

3 控制機箱內(nèi)部改進后的熱力學仿真驗證

改進后，再次進行熱力學仿真。主控板及跟蹤板組件的平面二維剖切溫度場仿真結(jié)果如圖11、圖12 所示。改進后的主控板及跟蹤板組件的三維溫度場仿真結(jié)果如圖13 所示。改進后的電源模塊的溫度場仿真結(jié)果如圖14 所示。絕熱硅膠的溫度場仿真結(jié)果如圖15 所示。

圖11 改進后的主控板組件平面二維剖切溫度場

圖12 改進后的跟蹤板組件平面二維剖切溫度場

圖13 改進后的主控板、跟蹤板組件三維溫度場

圖14 改進后的電源模塊三維溫度場

圖15 隔熱硅膠墊三維溫度場

由仿真結(jié)果可見，將主要熱源電源模塊隔離并加裝散熱翅片以及對主要發(fā)熱芯片設置散熱風道后，機箱內(nèi)部熱源集中現(xiàn)象得到較好的解決，主控板和跟蹤板的極限溫度分別為68.3 ℃和67.9 ℃，均低于各自的安全溫度極限。電源模塊因加裝了散熱風扇和導熱翅片，極限溫度為63.0 ℃，較之前大幅下降；隔熱硅膠墊溫度場顯示，因加裝了隔熱硅膠墊，電源熱量向箱體傳導的速率明顯降低。通過仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，機箱內(nèi)熱流已形成完整的貫通通道，有效確保了機箱內(nèi)部各板卡的正常工作溫度。

4 結(jié)語

通過對控制機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行局部改進，有效解決了箱體在戶外長時間連續(xù)工作后內(nèi)部板卡過熱導致板卡超過溫度極限而失效的情況，確保了箱體內(nèi)部各模塊單元正常的工作環(huán)境。經(jīng)過仿真計算驗證，本文得出以下改進結(jié)論：電源模塊發(fā)熱較大，需與其他發(fā)熱源借助低導熱率材料做導熱隔離，避免發(fā)生階梯熱傳導；板卡間距適當留出距離，降低主要發(fā)熱芯片間的熱輻射傳導散熱概率；對主要發(fā)熱芯片加裝風道，可有效降低芯片熱量集中，避免高溫失效；機箱加裝風扇，可有效形成貫通的散熱通道，有助于散發(fā)熱量。