某通信模塊機箱自散熱結構設計與優化分析

鄧孟輝，金向陽

（哈爾濱商業大學 輕工學院，哈爾濱 150000）

0 引言

目前，電子設備散熱系統的研究主要分為主動散熱和被動散熱兩類[1]。對于不同的工況和發熱功率，采用的散熱方式也有所區別[2-3]。此通信模塊芯片耐溫性能一般，功耗相對較低，且對其形狀大小有著嚴格要求，無法添加主動散熱裝置，為了使其正常、可靠地工作,必須對機箱進行結構設計，并試驗驗證其散熱效果，明確其滿足散熱要求的邊界條件[4-5]。本文對不同翅片參數的散熱機箱的冷卻性能進行了仿真和試驗研究，并選出了最佳參數以滿足此模塊的散熱要求。

1 機箱結構熱設計

1.1 機箱設計

在設計此通信模塊過程中，根據GB/T 31845—2015《電工電子設備機械結構熱設計規范》和公司具體要求，充分考慮了尺寸的小型化，在內部布局上，采用緊湊的組件排列，以最大限度地減少空間占用。使機箱符合125 mm×125 mm×35 mm的要求。機箱內部需要內置一塊PCB板，板上有CPU芯片、電源、電感等各種發熱元器件，工作時元器件通過熱對流、熱傳導將熱量散布到機箱及周圍環境中，且各元器件的正常工作最高溫度為120 ℃，為了提高系統可靠性，所允許元器件的最高結溫為95 ℃。

根據PCB板上的元器件布置，機箱設計應滿足以下要求：機箱上側應在網口、光口及插針正上方留有開口，方便線路的連接。而機箱的下側也應預留與背部連接器及導銷座相對應的開口，以便通信模塊與底板的固定連接。按照上述要求，機箱的上下兩側已不能有散熱翅片，否則會影響通信模塊線路的連接，而左右兩側安裝散熱翅片會影響模塊長度要求，不符合設計理念。且左右兩側面積較小，安裝散熱翅片也不能得到充分的散熱，因此應把翅片安裝在機箱正面。利用SolidWorks建立機箱模型，如圖1所示。

圖1 機箱模型

1.2 仿真模型簡化

由于此PCB板上元器件很多，且大部分元器件產生的熱量極其微小，因此對PCB板應進行幾何簡化。保留功耗為1 W以上的元器件，將1 W以下的元器件省略處理，如圖2所示。簡化后PCB板上主要由5個發熱元件構成，元器件參數如表1所示。對PCB板簡化處理過后與機箱進行裝配，5個主要發熱元器件與機箱散熱蓋相接觸。由于主要熱源表面和散熱機箱表面存在著一定的空隙，而這些空隙內的空氣的熱傳導性能相對較差，其熱導率只有0.026 W/（m·K）。因此，在主要熱源與機箱散熱蓋接觸表面加裝導熱墊，它可以填補接觸面的間隙，提高熱傳導性能。

表1 主要發熱元器件組成

圖2 PCB板簡化模型

2 散熱翅片設計基礎理論

機箱散熱蓋局部散熱翅片模型如圖3所示，設定其參數模型如下：1）無散熱翅片的壁面熱參數包括壁面內溫度tf1、壁面外溫度tw1、壁面傳熱系數h1、壁面面積A1；2）帶有散熱翅片面的熱參數包括散熱翅片表面溫度tf2、翅片與環境之間的溫度差tw2、散熱翅片與環境之間的傳熱系數h2、散熱翅片的表面積A2、散熱翅根基部的厚度δ、散熱翅根基部的導熱系數k。

圖3 機箱散熱蓋局部散熱翅片模型

通過散熱翅翅壁的總熱量可以表示為

將沒有散熱翅的面積A1來除以式（1）中的每一項，可以得出以下公式：

翅片的熱阻可以用下式表示：

由以上公式可以看出，增加散熱翅片數量會導致翅化系數的增加，即翅片表面積相對于基底面積的比例增加。這意味著用來傳導熱量的表面積進一步加大，散熱效果也會更加顯著。與此同時，在基底面積一定的情況下，增加散熱翅片的厚度，相鄰翅片的間距也會相對應地縮小，導致空氣流動性減弱。這會影響熱量傳遞過程中的對流效果，進而降低散熱效率。此外，較小的翅片間距可能會導致翅片之間的相互干擾，熱量在翅片之間的傳遞可能會受到阻礙，一部分熱量可能會被吸收或傳導到相鄰的翅片上，而不是被有效地散發出去。因此，在設計散熱機箱結構時，需要通過不斷調整翅片厚度和間距，找到最佳的翅片參數組合，以提高散熱效率。

根據以上總結可以得出，在符合b≈50×H/（Gr×Pr）的條件下，機箱的散熱效率更高，即

式中：b為翅片的厚度；H為翅片的高度；v為流體的動力黏度；β為流體的體積膨脹系數；Δt為翅壁溫度與環境溫度的差值；Gr為格拉夫頓數；Pr為普朗特數。

3 正交試驗的設計

正交試驗設計是一種有效的試驗設計方法，可以在較少的試驗次數下獲取全面的試驗數據。對于散熱翅片的高度、厚度和間距等3個因素，每個因素選擇3個水平，然后使用正交試驗設計來確定各因素的水平組合。對于不同參數組合的散熱翅片，記錄每組參數下各元器件的溫度。具體數據如表2所示。

表2 因素水平表

各參數仿真結果如表3所示，翅片參數的最優組合為：翅片高度為5 mm，翅片厚度為1.5 mm，翅片間距為2 mm。綜上所述，在選定參數附近取值時，翅片高度對散熱能力的影響最大，其次是翅片間距，而翅片厚度對散熱性能的影響相對較小。因此，在進行散熱機箱設計或參數調整時，應重點考慮和優化翅片高度和翅片間距。

表3 結果水平表

翅片參數優化前后各發熱元器件溫度數據對比如表4所示，可以明顯看出，在優化之后，各元器件的溫度分布更加均勻，元器件的最高殼溫升也有了明顯降低。經過正交試驗對翅片參數優化后，元器件最高殼溫從95.8 ℃降低至90.9 ℃，達到了元器件正常運行的要求。這表明通過優化翅片參數成功改善了散熱效果，并有效地降低了元器件的溫度。

表4 優化前后結果對比

根據上面的正交優化結果得出如下結論：當機箱散熱蓋上的翅片高度為5 mm、厚度為1.5 mm、間距為2 mm時，散熱效果最佳。將發熱元器件與機箱優化前后的溫度場分布數據進行對比，對比結果如圖4所示。

圖4 優化前后溫度場分布對比圖

4 結論

在基于COMSOL軟件進行的熱仿真和正交優選中，通過控制物理場的溫度，調整流體的流速、流動方向和流動類型，設定模塊材料相對應的熱阻和表面的輻射換熱系數及發熱元器件的熱功耗，仿真得出模塊整體穩態時的溫度場分布。此外，利用正交試驗方法不斷地優化翅片的高度、厚度及間距等參數，得出了翅片的最佳參數為高度5 mm、厚度1.5 mm、間距2 mm，在原來的基礎上機箱的散熱性能提高了5.1%。這種優化設計方法可以有效地降低發熱元器件模塊的溫度，提高其穩定性和性能，也為后續的機箱自然熱結構設計提供了參考。