電子設(shè)備機(jī)箱散熱仿真分析

摘要：通過(guò)對(duì)電子設(shè)備加固機(jī)箱的主要熱源分析，從基本原理出發(fā)，對(duì) PCB 板、元器件、導(dǎo)熱板和機(jī)箱外殼等方面提出具體的熱設(shè)計(jì)思想及實(shí)施方法，并使用6sigmaET軟件對(duì)系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化仿真。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，熱設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)合理，能較好地滿(mǎn)足電子設(shè)備機(jī)箱的散熱要求，能夠準(zhǔn)確可靠地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備;熱分析;6sigmaET

中圖分類(lèi)號(hào)：TN606?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-9129（2020）08-0044-01

引言：電子技術(shù)的快速發(fā)展，使得他在軍用和民用的多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨之而來(lái)的集成化引起的熱流密度增大問(wèn)題，散熱問(wèn)題是當(dāng)今的重要研究方向。為保證電子設(shè)備能在各種環(huán)境下穩(wěn)定、可靠的工作，熱設(shè)計(jì)就十分重要。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和6sigmaET軟件對(duì)某電子設(shè)備機(jī)箱進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比證明了理論計(jì)算和數(shù)值仿真結(jié)果的可信度，為優(yōu)化和改善機(jī)箱的散熱方案提供了有效的數(shù)據(jù)。

1?機(jī)箱結(jié)構(gòu)

為保證機(jī)箱正常、穩(wěn)定的工作，機(jī)箱采用密閉結(jié)構(gòu)形式，機(jī)箱外形尺寸為187mm×124mm×352mm（寬×高×深），內(nèi)部插件采用模塊化設(shè)計(jì)，與機(jī)箱背板采用盲插形式。三個(gè)模塊的熱耗分別為60W、10w、10W，整個(gè)機(jī)箱的總體熱耗為80W。

各模塊通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)與機(jī)箱導(dǎo)軌槽緊密接觸，把熱量傳遞至機(jī)箱壁。機(jī)箱通過(guò)右側(cè)銑加工翅片的散熱器加大散熱面積，加大散熱面積。在機(jī)箱后部安裝具有防水功能的風(fēng)扇對(duì)翅片進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。

2?機(jī)箱傳熱類(lèi)型

該機(jī)箱主要采用傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式。

熱傳導(dǎo)的基本定律就是傅里葉定律，其公式為：

式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K）;A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面面積，單位為m2;tnn-為溫度梯度矢量，單位為K/m;Φ為熱流量，單位為W;q為熱流密度，單位為W/m2。

對(duì)流換熱主要基于牛頓冷卻公式計(jì)算。

式中，h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)，單位為W/（m·K）;A為對(duì)流換熱面積，單位為m2;△t為固體壁面溫度tw與流體溫度tf之差的絕對(duì)值，△t大于零，保證熱流量Φ或熱流密度q取得正值，單位為K。

3?機(jī)箱熱設(shè)計(jì)仿真

利用專(zhuān)業(yè)熱仿真軟件6sigmaET進(jìn)行熱分析，其主要流程是建立模型、設(shè)定邊界條件、仿真計(jì)算、后處理等。

3.1熱分析模型的建立。在模型導(dǎo)入前，為了便于劃分網(wǎng)格，提高計(jì)算效率，對(duì)原模型進(jìn)行適量的簡(jiǎn)化。

將簡(jiǎn)化后的模型轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入6SigmaET軟件中。導(dǎo)入后的模型如圖一所示。

3.2加載邊界條件。確認(rèn)模型無(wú)誤后，定義機(jī)箱的計(jì)算域。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，迭代步數(shù)、松弛因子、重力等保持默認(rèn)設(shè)置。

3.3后處理。查看整機(jī)的風(fēng)速云圖，見(jiàn)圖2。圖中可見(jiàn)機(jī)箱靠近風(fēng)扇及翅片中間部位風(fēng)速較快。依據(jù)風(fēng)速的快慢，調(diào)整芯片、模塊的位置。

查看整體機(jī)箱的整體溫度云圖，見(jiàn)圖3，圖中可見(jiàn)機(jī)箱右側(cè)板卡溫度為45.2℃，溫升為25.2℃。風(fēng)口溫度為35.2℃，溫升為15.2℃。芯片正常工作的溫度范圍為-40℃-85℃，機(jī)箱工作后的溫升都在芯片工作合理范圍內(nèi)。實(shí)際模塊溫升為18℃，仿真結(jié)果與實(shí)際機(jī)箱相應(yīng)模塊溫升基本一致。

4?結(jié)語(yǔ)

從仿真結(jié)果可以看出，強(qiáng)迫風(fēng)冷具有較強(qiáng)的散熱能力。同時(shí)，應(yīng)用6sigmaET軟件對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱仿真分析可以直觀(guān)的了解電子設(shè)備的風(fēng)速分布。依據(jù)風(fēng)速的快慢來(lái)分配不同功率的模塊來(lái)控制整機(jī)溫升是快速有效的，從而有效縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

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作者簡(jiǎn)介：陳妍妤（1990-），女，助理工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。