液晶拼接屏應(yīng)用于飛機布線的散熱方法研究

李飛飛，劉貢平，程佳敏，田春林，3

（1.長春理工大學(xué)機電工程學(xué)院，吉林 長春 130022；2.西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.廣東光機高科技有限責(zé)任公司，廣東 佛山 528000）

1 引言

液晶工作臺是將生產(chǎn)用的圖紙信息（包括源頭、源尾及拐點柱位置、布線路徑、導(dǎo)線信息和檢驗標(biāo)識等）利用液晶屏顯示到工作臺上，操作者根據(jù)顯示信息在工作臺上方的防護用鋼化玻璃上進行布線。然而隨著電子設(shè)備及元器件的集成化、小型化使得設(shè)備總功率和發(fā)熱量大幅增加[1]，在模擬現(xiàn)實布線工況時，經(jīng)測定液晶屏工作一段時間后，其溫度保持在較高狀態(tài)下，不僅易造成元器件失效，還會使操作人員進行布線工作時長時間與高溫鋼化玻璃接觸，給人造成不適感，同時可能影響真空吸盤的吸附力，降低吸盤穩(wěn)定性，無法達到布線工作穩(wěn)定、高效、安全的要求，因此需要將屏幕上傳到鋼化玻璃表面溫度控制在35°C以下。傳統(tǒng)的熱設(shè)計主要是對發(fā)熱元件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括散熱片的尺寸選取、風(fēng)扇以及相關(guān)元器件的布局，這些都是針對設(shè)備內(nèi)部進行預(yù)設(shè)計、再調(diào)整[2]。但針對工程運用中的特殊要求，我們需通過外部手段減少電源板和屏幕之間的熱量傳遞以達到預(yù)定目標(biāo)。

借助Icepak軟件得到拼接屏在工作時的熱源、溫度和流體分布情況，然后針對熱源集中區(qū)、高熱區(qū)進行散熱方案的制定，使系統(tǒng)溫度和背殼溫度下降10°C左右，并通過實驗驗證方案的可行性，保障布線工作的正常進行。

2 液晶拼接屏的熱源分析及結(jié)構(gòu)簡化

液晶拼接屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[3]，但主要熱源集中于LED背光模組、電源板以及主板CPU[4]，而LED 背光源和圖像驅(qū)動板占整機發(fā)熱量的80%左右，電源板約占20%。電源板上主要有開關(guān)電源、變壓器、電容器、各種電阻等功率元件，部分器件上加有散熱器，而封裝機殼上開有小型通風(fēng)口和小功率溫控風(fēng)扇。為了提高計算效率，對電源背板結(jié)構(gòu)簡化，忽略掉尺寸較小且不發(fā)熱的元件，保留主要元件的材料屬性、尺寸大小、位置參數(shù)。已知該液晶大屏幕功耗約為250W，電源板功耗約為50W，各功率元件大概分布情況，如表1所示。

表1 各元件熱耗分布Tab.1 Heat Consumption Distribution of Each Element

在PCB1上有①～?型號，共計36個發(fā)熱單元，PCB2上有?～?型號，共計10個的發(fā)熱單元，在發(fā)熱器件②、⑧、⑩布置散熱器型號A，器件?上布置散熱器型號B。

3 模型的建立與仿真分析

3.1 仿真模型的建立

Icepak軟件能夠求解整機級、環(huán)境級的熱仿真問題，內(nèi)置有大量的電子產(chǎn)品模型、各種風(fēng)扇和材料庫，可以模擬自然對流、強迫對流、輻射、傳導(dǎo)等流動現(xiàn)象[5]。

計算模型為一立體電源背板，外殼為不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)部元件包括PCB、主要功率元器件、板翅散熱器以及溫控風(fēng)扇。其中，外殼尺寸（400×380×50）mm，壁厚1mm，PCB1尺寸為（300×170）mm，厚度1.6mm，PCB2尺寸為（240×60）mm，厚度1.6mm，板1、2為均采用絕緣材料FR4和純銅，覆銅率30%，導(dǎo)熱系數(shù)為正交各向異性參數(shù)，兩塊電路板均放置在相同大小，厚度1mm的聚四氟乙烯薄板上。建模時均將發(fā)熱器件定義為三維實體，保留各個器件的尺寸、位置及熱耗，在外殼內(nèi)表面處裝有一個溫控風(fēng)扇，殼的5面上有序分布半徑為2.5mm 通風(fēng)孔，散熱器主要參數(shù)，如表2 所示。風(fēng)扇參數(shù)，如表3所示。

表2 板翅散熱器尺寸特征Tab.2 Size Characteristics of Plate-Fin Radiator

表3 風(fēng)扇尺寸設(shè)定參數(shù)Tab.3 Fan Size Setting Parameters

根據(jù)液晶拼接屏背板系統(tǒng)的分析，利用Icepak專業(yè)軟件基于有限元法完成整個系統(tǒng)的建模、網(wǎng)格生成、求解和后處理等工作。在建模過程中，為了使得周圍空氣對流充分，計算域設(shè)定遵循如下：設(shè)模型三維上的最大尺寸為L，重力為Y軸負(fù)向（Y?），則Cabi?net外邊界模型外壁距離滿Y+>2L、Y?>L，其他方向距離>L/2，且六個面為Opening，風(fēng)扇選擇Internal類型，環(huán)境溫度設(shè)為25°C。

3.2 仿真結(jié)果分析

背板系統(tǒng)的溫度分布和氣流分布情況，如圖1、圖2所示。根據(jù)資料表明，當(dāng)電路板上的器件溫度高于85°C時，就會產(chǎn)生斷電保護[6]。從溫度分布云圖上可以看出，背板系統(tǒng)局部溫度最高達到71°C，滿足電路板工作要求，而高溫元件主要集中在：包括開關(guān)變壓器、二極管、電感以及M型電阻處；電源板和屏幕間連接的殼溫度達到54°C，分布在PCB1靠近風(fēng)扇的地方，主要是因為電路板上此處功率元件分布較為密集，熱流密度大，元件上熱量積聚較多。在背板內(nèi)部，外部空氣通過通風(fēng)進入內(nèi)部，在風(fēng)扇抽風(fēng)作用下，將電路板上熱量帶走，所以風(fēng)扇口處氣流密度大，速度快。

圖1 溫度云圖Fig.1 Temperature Contour

圖2 氣流速度分布圖Fig.2 Flow Velocity Distribution

4 散熱方案的制定與仿真分析

4.1 散熱方案的選定

熱設(shè)計主要是基于熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射這三種熱傳遞方式[7?8]，而通過主動散熱途徑包括：風(fēng)冷散熱、水冷散熱、液冷散熱、熱管散熱器散熱以及液氮散熱等方式。

就目前的使用環(huán)境來看，風(fēng)冷散熱方式結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的優(yōu)勢，更加適合該工況下的散熱需要。這里液晶拼接屏電源背板內(nèi)部空間很小，功率器件分布較為密集，而內(nèi)部熱量主要是靠外殼的自然對流和輻射換熱進行的，考慮到布線系統(tǒng)需求，液晶拼接屏的放置區(qū)別于一般情況下的立式安置方式，采取平放方式，同時在屏幕上方2mm位置放置防護用鋼化玻璃，將布線需要的真空吸盤吸附在玻璃上，布線平臺，如圖3所示。

圖3 布線平臺示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Wiring Platform

基于液晶拼接屏的平放布置，電源板的熱量向上傳遞，造成屏幕內(nèi)部熱量無法得到有效處理，使得屏幕熱量逐漸累積傳遞到玻璃上，在熱脹冷縮效應(yīng)下，極有可能造成吸盤的松動，而且對于長時間接觸高溫玻璃的工作人員也是不利的，因此我們決定在背板外壁增加風(fēng)冷設(shè)備，加強內(nèi)部氣流的流動，強化電源背板系統(tǒng)的冷卻效果，減少背板系統(tǒng)與屏幕內(nèi)部的熱量傳遞，以此達到對顯示屏的散熱。

強迫風(fēng)冷的計算公式[9]如下所示：

式中：在標(biāo)準(zhǔn)條件下，ρ—空氣密度，取為1.18kg/m3；

c—空氣的比熱容，取為1.005kJ（/kg·°C）；

Δt—系統(tǒng)進出口空氣壓力差，根據(jù)工程運用中實際需求初步確定為15°C；

Q—簡化電源板系統(tǒng)熱功耗，約為50W，計算得系統(tǒng)所需要的風(fēng)量約為0.169m3/min。

考慮到冷卻風(fēng)量的損失，工程中一般按照（1.5～2）倍的裕量來設(shè)計最大冷卻風(fēng)量[10]，這里按兩倍的裕量計算得所需風(fēng)量約為0.338m3/min。

根據(jù)前面的仿真分析得到背板系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布和氣流分布情況，為了滿足散熱需求，同時需要考慮到減小噪音和合理布局等問題，所以盡量選擇低轉(zhuǎn)速的，而尺寸較大、轉(zhuǎn)速較低的風(fēng)扇相較于尺寸小、轉(zhuǎn)速大的在輸送相同風(fēng)量時更為安靜。因此，選擇在電源背板上并聯(lián)兩個軸流風(fēng)扇，保證系統(tǒng)理論上需要的冷卻風(fēng)量，風(fēng)扇向外抽風(fēng)，風(fēng)扇參數(shù)選定，如表4所示。

表4 風(fēng)扇規(guī)格參數(shù)特征Tab.4 Fan Specifications and Parameters Characteristics

4.2 仿真結(jié)果分析

由圖1殼體溫度云圖可知，需要在紅色區(qū)域上方外殼上布置散熱風(fēng)扇，通過仿真計算得到電源板背面與屏幕接觸的殼體溫度分布，如圖4所示。

圖4 溫度云圖Fig.4 Temperature Contour

將該圖與圖2溫度云圖數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，在增加風(fēng)冷措施后，整個背板系統(tǒng)最高溫度和殼體背面最高溫度均降低了10°C左右，溫度降幅較為明顯，說明該風(fēng)冷措施能夠有效減少電源背板系統(tǒng)的熱量積聚，提高屏內(nèi)部熱量與外界熱量交換的效率，保障屏幕溫度在合理范圍內(nèi)。

5 實驗驗證

為了驗證該散熱方案對屏幕在進行布線工作時的降溫效果是否滿足布線需求，進行簡單的模擬實驗。將拼接屏支起一定高度平放于工作臺上，確保屏幕最下端外殼與工作臺之間有較大空隙來散熱，鋼化玻璃四角用支架支起置于屏幕上方約2mm處，讓液晶屏幕在25°C左右的工作環(huán)境下工作一段時間后，然后用測溫計記錄兩種情況下鋼化玻璃以及屏側(cè)邊上多個位置點的溫度，位置點分布情況，如圖5所示。

圖5 位置點分布情況Fig.5 Distribution of Location Points

圖中只顯示殼體最高溫度點和屏上面溫度點具體溫度數(shù)值，通過兩種情況下實驗數(shù)據(jù)可知，不加散熱措施時，屏幕側(cè)邊殼體溫度最高達到48.4°C，鋼化玻璃上最高溫度維持在40.6°C左右，然而在增加散熱措施后，屏幕側(cè)邊殼體溫度下降37.2°C左右，而鋼化玻璃表面最高溫度降到了33.6°C，低于預(yù)期值35°C，說明通過減少電源背板系統(tǒng)到顯示屏內(nèi)部的熱量傳遞，可以有效降低屏幕工作時的溫度，驗證了方案的可行性。兩次實驗時間?溫度折線圖，如圖6所示。

圖6 時間?溫度折線圖Fig.6 Time?Temperature Line Diagram

6 結(jié)語

采用熱分析軟件Icepak對某液晶拼接屏電源板建立簡化模型，并基于有限元理論進行熱仿真分析，模擬應(yīng)用于飛機布線的特殊條件下，獲得電源板系統(tǒng)的溫度、氣流分布情況，結(jié)果滿足電路板上電子器件正常工作時的溫度，說明結(jié)構(gòu)簡化的合理性。對熱源集中區(qū)、高熱區(qū)制定散熱方案，使屏幕積聚的熱量得到有效處理，保障屏幕畫質(zhì)和吸盤穩(wěn)定性，提高布線工作穩(wěn)定、高效性和安全。通過實驗?zāi)M布線實際工況，驗證了方案的可行性，結(jié)果達到了預(yù)期目標(biāo)。