某高熱密度密閉機(jī)箱設(shè)計(jì)*

陳登瑞，姜篤山，趙文虎

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某高熱密度密閉機(jī)箱設(shè)計(jì)*

陳登瑞，姜篤山，趙文虎

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中結(jié)合設(shè)備需求，進(jìn)行了一種高熱密度密閉機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。通過理論分析與計(jì)算確定了機(jī)箱的結(jié)構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了機(jī)箱側(cè)板風(fēng)道，選擇了合適的風(fēng)機(jī)。此外，文中還利用FLOTHERM軟件對其進(jìn)行了熱仿真驗(yàn)證，詳細(xì)介紹了機(jī)箱模型簡化與關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格劃分。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，采用理論計(jì)算與軟件仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式可明顯提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

密閉機(jī)箱；熱設(shè)計(jì)；軟件仿真

引 言

密閉加固機(jī)箱由于具有良好的抗震動沖擊性能、三防性能和電磁兼容性能而通常應(yīng)用在機(jī)載、星載和野外等嚴(yán)酷的環(huán)境條件下。隨著芯片集成度及模塊組裝密度的逐步提高，密閉機(jī)箱內(nèi)的熱密度也越來越大，因而對密閉機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)要求也越來越高。為保證電子設(shè)備在相應(yīng)的工作環(huán)境下長期、穩(wěn)定地工作，熱設(shè)計(jì)是必不可少的重要環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)方法是先根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)確定設(shè)計(jì)方案，然后利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，再通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，最后重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)方法計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較差，設(shè)計(jì)周期較長，研發(fā)成本較高[2]。電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)軟件可以幫助設(shè)計(jì)者驗(yàn)證、優(yōu)化熱設(shè)計(jì)方案，滿足產(chǎn)品快速開發(fā)的需要，并可以顯著減少產(chǎn)品驗(yàn)證熱測試的工作量。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)某設(shè)備研制要求，結(jié)合設(shè)備重量及安裝空間限制等因素設(shè)計(jì)了一款密閉加固機(jī)箱。為滿足惡劣的環(huán)境條件，機(jī)箱采用了全密閉的結(jié)構(gòu)形式，采用整體釬焊技術(shù)進(jìn)行制造。在機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對機(jī)箱中的各模塊和模塊內(nèi)的元器件進(jìn)行合理布局，并重視熱傳導(dǎo)在密閉機(jī)箱散熱中的作用。

1.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

首先根據(jù)安裝空間以及插件的尺寸和數(shù)量，確定機(jī)箱基本的外形尺寸為315 mm × 289.3 mm × 240 mm。機(jī)箱內(nèi)部共有6個模塊：2個電源模塊、1個插板式計(jì)算機(jī)模塊、1個信號處理模塊和2個微波模塊，它們采用前后排列的方式通過楔形鎖緊裝置豎直安裝在機(jī)箱內(nèi)。所有與外部接口的航空插件等器件都布置在機(jī)箱前面板上。母板在機(jī)箱的底部，并在母板下方預(yù)留出走線空間。該機(jī)箱采用鋁合金材質(zhì)，采用整體釬焊焊接成型。機(jī)箱內(nèi)部各模塊內(nèi)芯片等發(fā)熱元器件的熱量先通過導(dǎo)熱膠墊傳導(dǎo)到導(dǎo)熱板上，通過導(dǎo)熱板傳導(dǎo)到機(jī)箱側(cè)板上再散發(fā)到機(jī)箱外部。整個機(jī)箱總發(fā)熱量約為120 W，且主要集中在機(jī)箱內(nèi)部的幾個插件上，僅靠機(jī)箱自身的自然散熱無法滿足散熱要求。文中機(jī)箱左右側(cè)板采用夾層結(jié)構(gòu)，將翅片焊接在側(cè)板中間形成風(fēng)道，通過機(jī)箱后部的風(fēng)機(jī)將機(jī)箱內(nèi)部傳導(dǎo)到翅片上的熱量帶走。在導(dǎo)熱板與機(jī)箱側(cè)板鎖緊位置的接觸部分加工出較高的表面粗糙度，以減小二者之間的接觸熱阻。導(dǎo)熱板為鋁合金材質(zhì)，應(yīng)保證一定的厚度，以利于減小熱阻，并對印制板起到支撐作用。機(jī)箱的結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機(jī)箱側(cè)板風(fēng)道設(shè)計(jì)及風(fēng)機(jī)的選用

考慮翅片的散熱面積及機(jī)箱結(jié)構(gòu)外形的限制，初步選取散熱翅片的類型和尺寸。

機(jī)箱側(cè)板采用夾層結(jié)構(gòu)，將翅片焊接在側(cè)板中間形成風(fēng)道。散熱翅片結(jié)構(gòu)尺寸如圖2和圖3所示。

圖2 翅片示意圖

圖3 翅片截面圖

根據(jù)設(shè)備環(huán)境條件最高工作溫度要求，取機(jī)箱環(huán)境溫度為55 ℃，按出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口10 ℃的溫差，即出風(fēng)口溫度為65 ℃，則定性溫度為60 ℃。60 ℃時空氣特性參數(shù): 空氣比熱Cp= 1005J/ kg·℃，空氣密度ρ= 1.06 kg/m3，空氣動力粘度ν= 18.97×10-6m2/s。

根據(jù)熱平衡方程，按機(jī)箱發(fā)熱量120 W，出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口10 ℃的溫差計(jì)算，機(jī)箱左右風(fēng)道所需的總風(fēng)量為

Qf=Q/(Cp×ρ×Δt) =120/(1.06×1 005×10) =

0.011 2 m3/s = 40.55 m3/h

式中：Q為機(jī)箱發(fā)熱量；Δt為溫差。

每側(cè)翅片的通道數(shù)n=186/2 = 93。

空氣的流速為

式中，S為每個通道的截面積。

翅片型材的每個風(fēng)道的當(dāng)量直徑為

風(fēng)道阻力為

式中：L為風(fēng)道長度；ξ為局部阻力系數(shù)；g為重力加速度。代入數(shù)據(jù)得：

5.83 mmH2O = 57 Pa

考慮到計(jì)算有一定的誤差，因此選用的風(fēng)機(jī)要有一定的余量，查ebmpapst風(fēng)機(jī)選用手冊，選軸流風(fēng)機(jī)4114NHH，其功率為12.5 W，電壓為24 V，風(fēng)量為260 m3/h。

2 熱仿真分析

利用FLOTHERM軟件對所建立的機(jī)箱結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行熱仿真驗(yàn)證。在驗(yàn)證過程中，可對所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以獲得更優(yōu)化的參數(shù)。

2.1 機(jī)箱熱分析模型的建立

(1) 外部環(huán)境參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)設(shè)備環(huán)境條件最高工作溫度要求，設(shè)定機(jī)箱的環(huán)境溫度為55 ℃，換熱系數(shù)為5 W/m2·K。由于機(jī)箱是以傳導(dǎo)與對流相結(jié)合為主的散熱方式，因此不考慮輻射散熱方式。

(2) 建立機(jī)箱的簡化幾何模型

真實(shí)的機(jī)箱中有大量的對熱仿真結(jié)果影響不大的信息，而這些信息的存在會大大增加熱模型的復(fù)雜度，延長運(yùn)算時間[3]，因而有必要根據(jù)熱設(shè)計(jì)的實(shí)際情況對機(jī)箱模型進(jìn)行簡化。

由于機(jī)箱是密封的，傳導(dǎo)在機(jī)箱的散熱中起主要作用，因此可忽略機(jī)箱內(nèi)部的對流和輻射換熱方式，對內(nèi)部各模塊建模時只建立PCB板、芯片、導(dǎo)熱板的模型，而忽略對模塊的屏蔽殼體建模。利用軟件提供的參數(shù)化建模方法及模型庫建立芯片級的機(jī)箱熱分析模型，如圖4所示。

圖4 機(jī)箱熱分析模型

(3) 模型的功耗參數(shù)

整個機(jī)箱總發(fā)熱量約為120 W，其中，2個電源模塊的發(fā)熱量均為40 W，1個計(jì)算機(jī)模塊的發(fā)熱量約為20 W，1個信號處理模塊的發(fā)熱量約為20 W，其它2個微波模塊的發(fā)熱量可以忽略不計(jì)。

(4) 設(shè)定模型的材質(zhì)及表面特性

機(jī)箱、導(dǎo)熱板的材質(zhì)為鋁合金。PCB板的導(dǎo)體部分材質(zhì)為純銅，絕緣部分材質(zhì)為FR4,導(dǎo)體所占體積比為10%。散熱翅片的建模采用軟件中自帶的散熱器模型，選用詳細(xì)結(jié)構(gòu)建模方式。由于機(jī)箱采用釬焊焊接，因此在散熱翅片和側(cè)板焊接的地方具有可靠的熱傳導(dǎo)途徑，不考慮接觸熱阻，可將側(cè)板視為散熱器的基板。

(5) 風(fēng)機(jī)模型參數(shù)的設(shè)定

利用軟件自帶的風(fēng)機(jī)模型功能，按所選用風(fēng)機(jī)的特性參數(shù)設(shè)定風(fēng)機(jī)模型參數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分

由于機(jī)箱兩側(cè)的散熱翅片較密，翅片間距為2 mm,翅片厚度為0.2 mm，因此為提高求解精度，對翅片處的網(wǎng)格進(jìn)行局域加密處理。另對翅片進(jìn)行膨脹設(shè)置，以消除翅片局域化后延伸線所形成的大量不必要的網(wǎng)格。此外，對翅片在空氣進(jìn)出口處進(jìn)行膨脹設(shè)置后還可以增加該處網(wǎng)格數(shù)，詳細(xì)求解該處的參數(shù)變化，可減少殘差積累。圖5為機(jī)箱的網(wǎng)格劃分。

圖5 機(jī)箱的網(wǎng)格劃分

2.3 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)運(yùn)算，機(jī)箱內(nèi)部的溫度分布云圖如圖6所示。從圖6中可以看出，機(jī)箱內(nèi)的溫度最高點(diǎn)為板載芯片中心處，且最高溫度為86.6 ℃，低于90 ℃這一使用限制要求。

圖6 機(jī)箱的溫度分布云圖

3 結(jié)束語

本文利用FLOTHERM軟件對所設(shè)計(jì)的密閉機(jī)箱進(jìn)行了熱仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示該機(jī)箱滿足設(shè)計(jì)要求。同時在實(shí)際使用過程中，該機(jī)箱能夠較好地適應(yīng)實(shí)際高溫環(huán)境，滿足使用要求。通過理論計(jì)算與軟件仿真相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式可減少相關(guān)樣機(jī)的研制，可提升產(chǎn)品品質(zhì)并縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

[1] 李增辰, 褚俐. 某密閉電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程,2009,25(4):7-9．

[2] 夏顯忠, 陶光勇, 夏利鋒. 基于CFD的FLOTHERM在機(jī)載液晶顯示器熱分析的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程,2007,23(3): 7-10,49.

[3] 于坤, 華更新，王國良. FLOTHERM熱分析軟件在星載控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 控制工程(北京)，2005(3): 39-45.

陳登瑞(1977-)，男，工程師，主要從事電子對抗及雷達(dá)模擬領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

姜篤山(1982-)，男，工程師，主要從事電子對抗及雷達(dá)模擬領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

趙文虎(1976-)，男，高級工程師，主要從事電子對抗及雷達(dá)模擬領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)工作。

Design of a High Thermal Density Sealed Cabinet

CHEN Deng-rui，JIANG Du-shan，ZHAO Wen-hu

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

In this paper research on the sealed cabinet structure is carried out combined with some equipment requirements. The structure model of the cabinet is designed by theoretical analysis & calculation. The air ducts of the cabinet side board are also designed. A proper fan is adopted according to the requirement of the sealed cabinet. The thermal simulation test is carried out by FLOTHERM software. Model simplification and grid division of the key region are introduced in detail in this paper. Compared with traditional design methods, the design method, which combines theoretical analysis & calculation and software simulation, can obviously improve the design efficiency.

sealed cabinet; thermal design; software simulation

2012-12-22

TN957.8+3

A

1008-5300(2013)03-0005-03