通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施研究

楊 瓊

（京信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助熱設(shè)計(jì)的處理方式被廣泛應(yīng)用，借助數(shù)值模擬熱分析技術(shù)等建立有效評估，從而更好地維持散熱效果，提升通信設(shè)備環(huán)境控制的實(shí)效性。

1 通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)

在通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，需要明確通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)的情況，了解熱結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的具體方式，從而建立針對性的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理方案，有效提升設(shè)計(jì)的規(guī)范性和可控性，維持良好的結(jié)構(gòu)熱環(huán)境應(yīng)對效果，提升通信設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

1.1 熱結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)方式

在通信設(shè)備熱結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)過程中，主要方式包括熱傳導(dǎo)、熱對流以及熱輻射。不同的熱結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)方式要按照不同的計(jì)算方式進(jìn)行分析，并針對其實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)奶幚矸桨浮?/p>

熱傳導(dǎo)中的熱流量計(jì)算公式為

式中：λ表示熱傳導(dǎo)系數(shù)；A表示熱傳導(dǎo)方向橫截面積；表示溫度變化率。

熱交換主要載體為流動液體，借助接觸設(shè)備表面，利用冷卻處理或?qū)α魍瓿蔁崃拷粨Q。熱交換中的熱流量計(jì)算公式為

式中：α表示熱傳遞系數(shù)；A表示熱傳導(dǎo)方向橫截面積；Δt表示流體和接觸器件表面的溫度差。

電磁波向外發(fā)射能量粒子，電磁輻射的外輻射和吸收輻射疊加重合產(chǎn)生熱能。熱輻射中的熱能計(jì)算公式為

式中：ε表示熱發(fā)射率；Eb表示理想狀態(tài)下物質(zhì)最大輻射能。

1.2 熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)準(zhǔn)則支持下，要對設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的熱量予以合理性控制，配合相應(yīng)的傳遞方式維持熱量的可控性，提高系統(tǒng)散熱的整體效果，保證設(shè)備和系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)效果最優(yōu)化。對于熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，能滿足器件運(yùn)行溫度、熱阻、功耗等指標(biāo)，配合強(qiáng)制冷卻裝置運(yùn)行限制等，最大程度上提高熱環(huán)境應(yīng)用控制效果。

系統(tǒng)級熱設(shè)計(jì)將通信機(jī)柜、通信機(jī)箱和方艙等設(shè)計(jì)內(nèi)容予以融合。系統(tǒng)封裝級熱設(shè)計(jì)針對的是通信系統(tǒng)的對應(yīng)模塊，主要包括電源模塊、接口模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等，配合散熱裝置、印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）等完成設(shè)計(jì)。系統(tǒng)組件級熱設(shè)計(jì)則針對的是功率器件和硅元器件等，在統(tǒng)籌處理基礎(chǔ)上，熱設(shè)計(jì)能對設(shè)備溫度環(huán)境予以研究和分析，完成邊界條件的分析，整個(gè)設(shè)計(jì)過程要對設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度等進(jìn)行調(diào)控。封裝級熱設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組件級熱設(shè)計(jì)處理環(huán)節(jié)中，要全面評估電路布局內(nèi)容和結(jié)構(gòu)構(gòu)造內(nèi)容，并分析器件過熱、溫度應(yīng)變和熱應(yīng)力變化等情況引起的失效問題。除此之外，為了保證熱設(shè)計(jì)的完整性和可控性，借助ANSYS等計(jì)算機(jī)輔助軟件開展仿真測試，配合計(jì)算流體動力學(xué)熱分析過程簡化熱設(shè)計(jì)模型，更好地獲取計(jì)算分析和仿真結(jié)果[1]。

1.3 基本設(shè)計(jì)流程

為了保證設(shè)備熱設(shè)計(jì)的規(guī)范性和科學(xué)性，要按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展具體工作，以確保處理效果最優(yōu)化。具體流程包括：（1）對需要測試和處理的設(shè)備加熱；（2）分析冷卻要求；（3）計(jì)算環(huán)境溫度或邊界條件；（4）設(shè)計(jì)模型；（5）確定材料和熱交換方式；（6）計(jì)算機(jī)輔助程序熱設(shè)計(jì)；（7）仿真測試和分析；（8）文件輸出和溫度分布圖驗(yàn)證分析。

2 通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以32X2.5G密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexer，DWDM）終端設(shè)備熱設(shè)計(jì)為研究對象，結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)開展熱設(shè)計(jì)評估工作，從而滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本規(guī)范。

2.1 終端設(shè)備熱分析

在終端結(jié)構(gòu)正常工作范圍內(nèi)，設(shè)備各個(gè)子架在規(guī)定功率參數(shù)范圍內(nèi)開展相應(yīng)工作。結(jié)合終端設(shè)備子架相關(guān)功率參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌分析，32X2.5G DWDM終端設(shè)備中的光放大設(shè)備功率為110 W，光信道子架設(shè)備功率為245 W，DWDM終端設(shè)備功率為600 W，監(jiān)控子架功率為110 W。在子架配置滿足的基礎(chǔ)上，單盤數(shù)量要符合規(guī)定。受電磁屏蔽的影響，子架單盤和上下托盤之間左右側(cè)板則直接形成密集金屬盒體，對子架內(nèi)單盤散熱產(chǎn)生影響，長此以往單盤和芯片受損的問題就會加劇，影響設(shè)備運(yùn)行的規(guī)范性和合理性，需及時(shí)解決該問題[2]。

2.2 子架設(shè)備熱設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中，為了保證設(shè)備熱量不會出現(xiàn)堆積等現(xiàn)象，要對各個(gè)部位進(jìn)行集中設(shè)計(jì)和分析處理，確保相應(yīng)的手段能發(fā)揮實(shí)際作用，提升子架設(shè)備熱設(shè)計(jì)的規(guī)范性和可控性。一般采取涂覆、安裝電扇、合理布局等方式，從整體熱傳遞的角度出發(fā)，避免相應(yīng)元件熱量較高造成的不良影響。

對子架下托盤安裝的單盤進(jìn)行涂覆處理，有效提升托盤散熱和吸熱效果。一般而言，要采取黑色氧化處理工序，有效增加托盤結(jié)構(gòu)的吸熱量，維持托盤散熱效果，避免熱量堆積對元件運(yùn)行安全性造成影響，實(shí)現(xiàn)良好的熱傳遞。

在功率較大的電子元件上設(shè)置銅導(dǎo)熱條或鋁導(dǎo)熱條，配合使用相應(yīng)的小風(fēng)扇，維持散熱的及時(shí)性和可控性。只有建立完整且可控的熱量疏導(dǎo)處理模式，才能減少熱量堆積造成的不良影響，提升可控化管理水平，避免子架內(nèi)溫度較高產(chǎn)生的負(fù)面影響。

在保證單盤連接處于良好狀態(tài)的基礎(chǔ)上，要在背板位置上設(shè)置對應(yīng)數(shù)量的孔洞，以便維持子架的散熱效果。與此同時(shí)，在左側(cè)板、右側(cè)板、子框上下托盤以及單盤面板等區(qū)域采用鋁合金設(shè)備，確保冷空氣能直接對接元件，提升其冷卻水平。

結(jié)合子架設(shè)備的應(yīng)用運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)合理安排對應(yīng)元器件的實(shí)際位置，尤其是PCB板上的電子元件，只有保證安裝結(jié)構(gòu)的合理性，才能降低散熱穩(wěn)定性不足造成的熱傳導(dǎo)等問題，打造良好的熱設(shè)計(jì)處理模式。將一些不耐熱的元件設(shè)置在冷卻氣流的入口位置，將一些耐熱性較好的元件設(shè)置在冷卻氣流的出口位置，形成良好的熱交換空間和路徑，確保相應(yīng)的傳輸過程能和氣流流動的方向維持一致，從根本上避免熱量的交替?zhèn)鲗?dǎo)，提升元件運(yùn)行環(huán)境的穩(wěn)定性。除此之外，要將一些發(fā)熱量較大的電源盤直接安插在子框結(jié)構(gòu)的外側(cè)，避免其內(nèi)部產(chǎn)生溫度堆積，降低功能盤熱輻射造成的影響，維持良好的熱設(shè)計(jì)效果。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，可以采取強(qiáng)迫通風(fēng)散熱處理方式，借助風(fēng)機(jī)完成抽風(fēng)和鼓風(fēng)處理，加快設(shè)備內(nèi)部空氣流動的速度，有效滿足散熱的實(shí)時(shí)性需求。在子架下面安裝鼓風(fēng)風(fēng)扇子架，盡量增加進(jìn)出風(fēng)口的距離和高度差，在實(shí)現(xiàn)自然對流的同時(shí)，充分考量熱空氣密度小的特點(diǎn)安裝風(fēng)扇子架抽風(fēng)，避免子架內(nèi)溫度超出預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，打造更加安全可靠的熱環(huán)境[3]。

2.3 終端整機(jī)熱設(shè)計(jì)

子架中電子元件數(shù)量較多，通常會產(chǎn)生較大的風(fēng)阻，且設(shè)備一般處于長期工作狀態(tài)，自然散熱的處理方式并不能滿足其應(yīng)用要求和散熱處理標(biāo)準(zhǔn)，因此要對其進(jìn)行終端整機(jī)散熱處理控制。利用風(fēng)扇子架完成熱設(shè)計(jì)，包括3個(gè)3.5 W直流風(fēng)扇，采取并聯(lián)處理方式，子架高度設(shè)置應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性應(yīng)用要求，并配合自然對流處理，從而更好地降低子架內(nèi)溫度。

與此同時(shí)，為了有效提升風(fēng)扇子架結(jié)構(gòu)和DWDM終端設(shè)備運(yùn)行的規(guī)范性水平，要整合具體的應(yīng)用框架，配合設(shè)備正常工作的應(yīng)用要求，在風(fēng)扇子架面板上設(shè)置對應(yīng)告警裝置，一旦檢測出風(fēng)扇存在相關(guān)問題就能及時(shí)告警，從而更便捷地完成風(fēng)扇實(shí)時(shí)性檢測管理。在機(jī)柜頂部電源和環(huán)境監(jiān)控板位置設(shè)置溫度檢測功能模塊，針對子架溫度超出警戒溫度的問題進(jìn)行告警處理，提升統(tǒng)籌控制的規(guī)范性和科學(xué)性。

2.4 熱實(shí)驗(yàn)

在完成32X2.5G DWDM終端設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作后，對其進(jìn)行高溫實(shí)驗(yàn)，了解具體設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)行情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

根據(jù)相應(yīng)的測試結(jié)果，對應(yīng)的處理方案和熱設(shè)計(jì)控制模式具有良好的應(yīng)用效果。32X2.5G DWDM終端設(shè)備72 h內(nèi)高溫環(huán)境在線熱測試通信誤碼率均為0，證明產(chǎn)品的實(shí)際熱設(shè)計(jì)方案滿足規(guī)范運(yùn)行要求，能實(shí)現(xiàn)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行[4,5]。

3 結(jié) 論

通信設(shè)備熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作涉及內(nèi)容較多，為了全面提升其設(shè)計(jì)效果，要在考量地域環(huán)境溫度的同時(shí)，保證工程設(shè)計(jì)內(nèi)容符合具體要求和標(biāo)準(zhǔn)。在掌握微電子結(jié)構(gòu)的同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助熱設(shè)計(jì)開展工作，充分發(fā)揮熱交換器等新型設(shè)備的應(yīng)用優(yōu)勢，從而為通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)效率的提升奠定基礎(chǔ)。