熱輻射在電子設(shè)備熱仿真中的影響

袁亞輝，朱霄聰

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熱輻射在電子設(shè)備熱仿真中的影響

袁亞輝，朱霄聰

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510663）

熱仿真分析作為電子設(shè)備前端設(shè)計(jì)的重要手段，其結(jié)果受到多種因素的影響。為了探究熱輻射對(duì)于熱仿真分析結(jié)果的影響程度，舉例進(jìn)行說明。案例為一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的插箱式電子設(shè)備，經(jīng)過前期散熱設(shè)計(jì)，采取了一些散熱措施，發(fā)熱器件的溫升得到有效控制。然后對(duì)該模型參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，在求解控制器中關(guān)閉了熱輻射功能。對(duì)比考慮熱輻射和不考慮熱輻射兩種情況對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)不考慮熱輻射時(shí)元器件的溫升顯著提高，與實(shí)際情況不符。

熱輻射；熱仿真；插箱式電子設(shè)備

在電子設(shè)備行業(yè)，傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法是：經(jīng)驗(yàn)加樣機(jī)測(cè)試。該方法不但完全依賴設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)，而且還需要進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，然后通過樣機(jī)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整。該方法雖然具有一定的實(shí)用價(jià)值，但由于經(jīng)驗(yàn)依賴性大，計(jì)算量也相對(duì)較大，設(shè)計(jì)調(diào)整次數(shù)也較多，從而造成開發(fā)周期加長(zhǎng)、開發(fā)成本增加[1]。針對(duì)傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的局限性，人們引入前端熱設(shè)計(jì)的方法[2]，即在正式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，通過專業(yè)的熱仿真分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)構(gòu)思進(jìn)行模擬分析并且優(yōu)化[1]。

進(jìn)行熱仿真分析前，需要明確電子設(shè)備的實(shí)際使用情況及確定熱傳遞的方式。熱量傳遞的三種基本形式是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射[3]。

1 熱輻射

由于熱的原因而產(chǎn)生的電磁波輻射稱為熱輻射。熱輻射的電磁波是物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)激發(fā)出來的。只要溫度高于0 K（絕對(duì)零度，約等于-273.15℃），物體總是不斷地把熱能變?yōu)檩椛淠?，向外發(fā)出熱輻射。同時(shí)，物體亦不斷地吸收周圍物體投射到它上面的熱輻射，并把吸收的輻射能重新轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋］椛鋼Q熱是指物體之間相互輻射和吸收的總效果。

當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時(shí)，和可見光一樣，也發(fā)生吸收、反射和透射現(xiàn)象，如圖1所示[4]。

圖1 物體對(duì)熱輻射的吸收、反射和透射

在外界投射到物體表面上的總能量中，一部分Q被物體吸收（轉(zhuǎn)換成熱能），另一部分Q被物體反射，其余部分Q穿透過物體。根據(jù)能量守恒定律，則有：

＝Q＋+Q＋Q（1）

2 熱仿真案例

某電子設(shè)備面板高度為1U，經(jīng)過前期的散熱設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。為提高仿真計(jì)算效率，建模時(shí)將部分組件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪除或忽略對(duì)熱仿真結(jié)果無影響的部件，發(fā)熱器件采用均質(zhì)簡(jiǎn)化建模。各發(fā)熱器件、PCB、齒片散熱器、中頻模塊蓋板等組件采用細(xì)化網(wǎng)格劃分，其余各部件粗化網(wǎng)格劃分。設(shè)備工作允許的環(huán)境溫度范圍是[-20℃, +55℃]。

面板、后板、左右側(cè)板、底板和蓋板（圖2中被隱去）的材料為普通鋁合金。在設(shè)備箱體內(nèi)部，各模塊通過硬鋁合金支柱固定在底板上；基帶模塊（包括上基帶板和下基帶板）上的散熱器也由硬鋁合金支柱固定于PCB上；中頻模塊（圖2中被隱去上蓋）由標(biāo)準(zhǔn)螺釘固定于底板。

圖2 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)模型

2.1 考慮熱輻射

熱仿真的前處理階段，參數(shù)設(shè)置時(shí)考慮熱輻射，環(huán)境溫度設(shè)為設(shè)備工作溫度允許范圍的上限值+55℃。同樣地，對(duì)與發(fā)熱器件連接比較緊密的部件例如齒片散熱器、PCB、中頻模塊的蓋板及器件本身進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，其它部件則采用比較粗大的網(wǎng)格，保證結(jié)果精確的前提下提高計(jì)算效率。在求解控制屬性中將熱輻射的“Active”的下拉選項(xiàng)選中“Yes”，檢查模型，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算結(jié)果溫度云圖如圖3所示，圖中顯示的顏色代表各組件的表面溫度。

圖3 計(jì)算結(jié)果溫度云圖

計(jì)算結(jié)果如表1所示，表中ΔT＝T－T'max。由于器件采用均質(zhì)簡(jiǎn)化建模，因此可將表面溫度近似等同于其結(jié)溫。

由表1可以看出，各元器件的溫升都在＋30℃以下，說明散熱設(shè)計(jì)的效果是比較理想的。

表1 發(fā)熱器件溫度計(jì)算結(jié)果（單位：℃）

2.2 不考慮熱輻射

設(shè)備的結(jié)構(gòu)模型保持不變，在熱仿真的前處理階段，參數(shù)設(shè)置時(shí)不考慮熱輻射，環(huán)境溫度設(shè)為＋55℃。計(jì)算結(jié)果溫度云圖如圖4所示，圖中顯示的顏色代表各組件的表面溫度。

圖4 計(jì)算結(jié)果溫度云圖

計(jì)算結(jié)果如表2所示，表中ΔT＝T－T'max。同樣地，由于器件采用簡(jiǎn)化建模，因此可將表面溫度近似等同于其結(jié)溫。

表2 發(fā)熱器件溫度計(jì)算結(jié)果（單位：℃）

3 結(jié)論

將圖3和圖4進(jìn)行對(duì)比，可明顯看出圖4的發(fā)熱器件對(duì)與其直接接觸的PCB的溫度上升的影響范圍更廣、更大。這是由于沒有了熱輻射的參與，器件產(chǎn)生的熱量更依賴導(dǎo)熱的方式來擴(kuò)散。表1與表2的結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

由圖5可知，在不考慮熱輻射時(shí)，器件的溫度顯著比考慮熱輻射時(shí)的溫度要高很多，與實(shí)際情況差異較大。因此，進(jìn)行電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，一定不能忽視熱輻射對(duì)器件散熱的作用。否則，原本使用低成本的方式就可實(shí)現(xiàn)的散熱目的，卻要浪費(fèi)更高的成本，采用更高端的散熱方式，導(dǎo)致成本浪費(fèi)，得不償失。

圖5 有無考慮熱輻射的結(jié)果對(duì)比

[1]宋洪濤，賓鴻贊. 熱仿真技術(shù)在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用[J]. 應(yīng)用科技，2001，28（8）：165-167.

[2]李承隆. 電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)及熱仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2010.

[3]袁亞輝. 基于6SigmaET的某電子設(shè)備瞬態(tài)熱設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械，2013，40（8）：36-39.

[4]余建祖. 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[5]趙敏，陳志平，張巨勇. 大功率LED燈的熱分析與熱設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程，2012，29（2）：220-223.

Influence of Thermal Radiation on Thermal Simulation about Electronic Equipment

YUAN Yahui，ZHU Xiaocong

(GuangzhouHaige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China )

As an important tool of concept design of electronic equipment, the results of thermal simulation analysis are influenced by many factors. In order to make research onhow heat radiation influenced the results of the thermal simulation analysis, one case is introduced. The case is a simple box electronic equipment. After the previous thermal design, some thermal measures were adopted and then the temperature rise was controlled effectively. Next step the parameters of the model were reset, the function of heat radiation was shut off in the solution controller. Influences on the solution results of what the heat radiation was considered or not in the case were compared. It indicates that when the heat radiation was not considered the temperature of the components rose remarkably, which is discrepant with the fact.

heat radiation；thermal simulation；box electronic equipment

TN376

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.007

1006－0316 (2018) 01－0034－03

2017－05－08

袁亞輝（1983－），男，河南漯河人，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮油ㄐ旁O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱仿真設(shè)計(jì)、沖擊跌落仿真；朱霄聰（1980－），男，廣東湛江人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)、人機(jī)工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。