某電子設(shè)備熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

祝起凡，段　軍，楊芳紅

(西安電子工程研究所 微波工程事業(yè)部，陜西 西安 710100)

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某電子設(shè)備熱控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

祝起凡，段軍，楊芳紅

(西安電子工程研究所 微波工程事業(yè)部，陜西 西安 710100)

為解決電子設(shè)備的散熱問(wèn)題，對(duì)某電子設(shè)備的熱控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采取了加導(dǎo)熱片、填充導(dǎo)熱填料等高可靠性導(dǎo)熱方式進(jìn)行散熱，并在HyperMesh軟件中建立了有限元模型，通過(guò)Patran/Nastran軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，采取熱控措施后印制板及元器件溫度降低，且分布更加均勻，驗(yàn)證了熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

電子設(shè)備；熱控系統(tǒng)；有限元；仿真分析

電子設(shè)備中電子元器件占有較大比重。隨著需求水平的不斷提高，電子設(shè)備正向著高性能、緊湊化、小型化的方向發(fā)展, 而另一方面，電子器件的性能越高，其功率消耗也越高，電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)越小越緊湊，則需要將電子元件集中在很小的區(qū)域內(nèi)，從而導(dǎo)致熱流密度急劇增加，使得電子器件散熱更加困難。所以，必須對(duì)電子器件及設(shè)備的高效冷卻和熱控制技術(shù)提出更高的要求[1-3]。

如果電子設(shè)備的熱控措施達(dá)不到要求，元器件將處于較高的溫度下，從而導(dǎo)致元器件失效或損壞。此外，電子設(shè)備的熱控措施不到位，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部溫度分布不均，電子元器件內(nèi)部將產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致變形，進(jìn)一步造成電子元器件的疲勞損壞、斷裂或永久變形，嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的工作可靠性等各方面性能[4-7]。

對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)就是利用熱量的傳遞特性，在充分掌握各電子元器件熱失效參數(shù)的前提下，通過(guò)優(yōu)化熱流通路，降低電子設(shè)備與散熱環(huán)境之間的熱阻，并提供一個(gè)溫度比較低的散熱器，以較少的冷卻代價(jià)把設(shè)備內(nèi)部的有害熱量盡可能釋放掉，使設(shè)備在其所處環(huán)境條件下，保持在可靠性要求所規(guī)定的溫度范圍之內(nèi)，確保設(shè)備可靠、安全地工作。隨著電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)逐漸認(rèn)識(shí)到了熱設(shè)計(jì)研究對(duì)航空、航天以及軍事方面的重要性和迫切性[8-9]。

本文針對(duì)某電子設(shè)備的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其熱控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)采取的熱控措施對(duì)熱控系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，得到了較好的結(jié)果。

1　熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究的電子設(shè)備主要由電子元器件、印制板和機(jī)箱殼體等組成，電子元器件的發(fā)熱功率較大。為避免發(fā)熱器件的熱量過(guò)于集中，防止電子元器件發(fā)生熱變形，需要對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱控設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)電子元器件、印制板和機(jī)箱殼體采取的熱控措施進(jìn)行論述。

電子元器件的種類的不同, 其散熱面的位置也不一樣。有的散熱面在元器件底部，有的在元器件頂部。對(duì)于散熱面位置不同的元器件，其散熱措施也不同，但散熱原理一樣，都是通過(guò)在散熱面處安裝導(dǎo)熱片，將元器件與機(jī)箱殼體相連接，熱量將通過(guò)導(dǎo)熱片傳導(dǎo)至機(jī)箱殼體上，最后由機(jī)箱殼體傳導(dǎo)至儀器安裝板進(jìn)行散熱。同時(shí)，導(dǎo)熱片與元器件以及機(jī)箱殼體結(jié)合處填充導(dǎo)熱填料或?qū)崮z來(lái)減小熱阻，增強(qiáng)導(dǎo)熱效果。對(duì)于散熱面在底部的元器件，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意防止導(dǎo)熱片造成電路板短路，一般在連接處嵌入聚四氟乙烯絕緣墊。具體的導(dǎo)熱片連接方式如圖1和圖2所示[10]。

圖1　散熱面在底部的元器件導(dǎo)熱片安裝示意圖

圖2　散熱面在頂部的元器件導(dǎo)熱片安裝示意圖

2　電子元器件溫度預(yù)估

元器件本身的熱功耗、工作的熱環(huán)境以及與周圍工作環(huán)境的熱阻是影響電子元器件溫度的主要因素。熱功耗是電子元器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱能。電子元器件周邊環(huán)境溫度主要有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射邊界條件。熱傳導(dǎo)邊界條件主要指電子器件所安裝的印制板溫度以及印制板所安裝的機(jī)箱殼體的溫度；對(duì)流邊界條件主要指器件周圍空氣溫度；輻射邊界條件主要指器件表面輻射對(duì)象，如對(duì)應(yīng)機(jī)箱箱壁溫度、發(fā)射率ε、元器件與箱壁相對(duì)位置以及周圍發(fā)熱器件熱狀態(tài)等。

元器件與周圍工作環(huán)境的熱阻是指元器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量向外傳遞過(guò)程中所遇到的阻力。一般為由結(jié)點(diǎn)向外傳熱所遇到的熱阻，包括結(jié)點(diǎn)到殼體之間、殼體到印制板之間和結(jié)點(diǎn)到環(huán)境之間的熱阻[11-12]。

3　熱控系統(tǒng)仿真分析

電子設(shè)備熱控系統(tǒng)仿真分析，即利用數(shù)字仿真技術(shù)獲得溫度及熱量分布的方法，它可以使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)缺陷，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。本文利用Patran/Nastran有限元軟件對(duì)某電子設(shè)備熱控系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)設(shè)備的尺寸特征在SolidWorks軟件中進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后將三維模型導(dǎo)入HyperMesh軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，如圖3所示。將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Patran軟件中，結(jié)合設(shè)備中熱量的傳遞方式及特點(diǎn)，建立有限元分析模型，各部件的材料參數(shù)如表1所示，最后通過(guò)Nastran軟件進(jìn)行分析。

圖3　某設(shè)備熱分析有限元網(wǎng)格模型

材料名稱應(yīng)用部位發(fā)射率εh導(dǎo)熱率/W·(m·K)-1鋁合金機(jī)箱殼體0.85194鐵-鎳-鈷合金元器件0.188環(huán)氧玻璃布印制板0.525

在建立熱分析模型的過(guò)程中主要考慮以下幾點(diǎn):[13-15](1)將環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，將設(shè)備與安裝界面視為熱沉，定義溫度邊界為20 ℃；(2)每塊印制板上的熱載荷分別按照元器件清單所提供的數(shù)據(jù)加載到相應(yīng)部位；(3)忽略電子元器件與周圍環(huán)境的輻射傳熱；(4)忽略印制板與殼體之間通過(guò)接插件的導(dǎo)熱。

根據(jù)建立的設(shè)備熱分析模型，對(duì)熱控系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，經(jīng)熱穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4　未采取熱控措施時(shí)印制板及元器件溫度分布圖

圖5　采取熱控措施后印制板及元器件溫度分布圖

從仿真結(jié)果可以看出：未加熱控措施時(shí)，印制板及元器件溫度分布范圍為294～335 K，即21～62 ℃，溫度梯度分布較為顯著；加熱控措施后，印制板及元器件溫度分布范圍為297～308 K，即24～35 ℃，溫度梯度分布較為均衡?？傮w來(lái)看，采取熱控措施后，電子設(shè)備中各電子元器件的工作溫度大幅降低，提高了工作可靠性。

圖6　未采取熱控措施時(shí)印制板及元器件溫度梯度分布圖

圖7　采取熱控措施后印制板及元器件溫度梯度分布圖

4　結(jié)束語(yǔ)

電子設(shè)備熱控系統(tǒng)的主要功能是保證內(nèi)部元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量順利、快速地傳遞出去，以滿足電子設(shè)備工作可靠性要求。本文采用傳導(dǎo)的散熱技術(shù)對(duì)某電子設(shè)備進(jìn)行熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采取了加導(dǎo)熱片、填充導(dǎo)熱填料等高可靠性的導(dǎo)熱方式進(jìn)行散熱，并建立了有限元模型，進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，采取熱控措施后印制板及元器件溫度降低且分布更加均勻，驗(yàn)證了熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

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Thermal Control System Design of Electronic Equipment

ZHU Qifan，DUAN Jun，YANG Fanghong

(Microwave Engineering Division,Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

To solve the problem of cooling electronic equipment, we take the reliable cooling plan of adding thermal slices and thermal conductive fillers to design a thermal control system for an electronic equipment. The finite element model is built by HyperMesh. By simulation of Patran/Nastran, the result shows the thermal of PCB and components gets lower and more uniform after taking measures for thermal control. It verifies the rationality of the design for thermal control system.

electronic equipment; thermal control system; finite element; simulation analysis

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.009

2016-06-14

祝起凡(1988-)，男，碩士研究生。研究方向：電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TN702.2

A

1007-7820(2016)08-028-03