某型多功能設(shè)備的熱設(shè)計(jì)及仿真

何定全，潘科，金鑫，趙鎮(zhèn)榮，江浩然

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

近年來(lái)，電子設(shè)備的小型化、集成化、高功率及多功能成為發(fā)展主流。從器件級(jí)到組件級(jí)，從組件級(jí)到系統(tǒng)級(jí)，隨著組裝密度的提高，熱損耗也在不斷增加。有研究表明器件級(jí)的熱流密度僅比太陽(yáng)表面的熱流密度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)[1]，如此高的熱流密度，若沒(méi)有合理的控制技術(shù)，必將損壞整個(gè)設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)允許值而引起的[2]。

為了保證電子元器件和設(shè)備良好而穩(wěn)定的工作，電子領(lǐng)域的熱分析和控制技術(shù)得到了普遍的發(fā)展和重視。目前，對(duì)電子設(shè)備的熱控制分析技術(shù)主要有基于經(jīng)典公式推導(dǎo)的理論計(jì)算[3-4]、基于計(jì)算機(jī)分析方法的數(shù)值仿真[5-6]及實(shí)驗(yàn)測(cè)試[7-8]等方法。其中基于經(jīng)典公式推導(dǎo)的理論計(jì)算常常需要對(duì)求解問(wèn)題或模型進(jìn)行一定假設(shè)簡(jiǎn)化和理想化，僅考慮部分因素的影響，而沒(méi)有考慮本身流場(chǎng)及具體邊界條件對(duì)傳熱過(guò)程的影響，獲得的結(jié)果較為線性、簡(jiǎn)單且具有局限性。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、投入成本大，且需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)策劃并配套相應(yīng)設(shè)備、場(chǎng)地及人員，為了獲得可信結(jié)果需要反復(fù)迭代實(shí)驗(yàn)。因此基于計(jì)算機(jī)分析方法的數(shù)值仿真已成為電子設(shè)備熱控分析技術(shù)的主流，數(shù)值仿真的物理模型是一個(gè)完整模型，并沒(méi)有將影響因素假設(shè)簡(jiǎn)化，它從細(xì)節(jié)上去描述整個(gè)傳熱過(guò)程，采用能量守恒、質(zhì)量守恒及動(dòng)量守恒等方程去控制整個(gè)求解迭代過(guò)程，并考慮具體邊界條件、外部環(huán)境及實(shí)際流場(chǎng)分布等因素的影響，獲得的結(jié)果更接近實(shí)際情況。

本文以某型多功能設(shè)備為研究對(duì)象，在實(shí)現(xiàn)該設(shè)備復(fù)雜通信功能的基礎(chǔ)上，充分考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、工藝、制造及使用環(huán)境條件等因素，先根據(jù)該設(shè)備的對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)其散熱冷卻方式進(jìn)行了確定，并對(duì)各個(gè)功能部件具體的熱耗分布進(jìn)行了分析說(shuō)明，然后結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)空間布局，使用導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱墊、導(dǎo)熱凸臺(tái)及散熱齒等具體手段，保證將熱耗充分控制并迅速傳遞出去，最后采用有限體積法對(duì)該設(shè)備的散熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，以驗(yàn)證整個(gè)設(shè)備熱設(shè)計(jì)的合理性。

1 散熱方式

某型多功能設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收及通信對(duì)抗等功能，涉及頻段較寬，通道數(shù)量較多，全功能滿功率工作時(shí)總熱耗為99.48W。設(shè)備基本外形如圖1所示，最大外形尺寸為354mm×354mm×79mm。

圖1 多功能設(shè)備外形

通常，對(duì)元器件或設(shè)備與外部環(huán)境之間的對(duì)流換熱過(guò)程所傳遞的能量，可按牛頓方程來(lái)定義。它假設(shè)設(shè)備的固體表面和流體間的換熱量與它們之間的溫差成正比，其具體方程表達(dá)式為：

式中：Φ為總換熱量(W)，hc為換熱系數(shù)(W/(m2·℃))，A為固體壁面換熱面積(m2)，tw為固體壁面溫度(℃)，tf為流體溫度(℃)。

多功能設(shè)備輻射陣面天線罩采用傳熱效率低的復(fù)合材料，此面換熱面積將暫不考慮，結(jié)合圖1外形得到多功能設(shè)備的固體壁面換熱面積為0.209 7m2。多功能設(shè)備使用的元器件種類(lèi)、數(shù)量較多，正常工作時(shí)功放管以外的元器件溫升不得超過(guò)40℃。將總熱耗、換熱面積及溫升代入上式，得到多功能設(shè)備正常工作需要的換熱系數(shù)為11.86W/(m2·℃)，而靜止空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為6W/(m2·℃)，顯然自然冷卻已無(wú)法實(shí)現(xiàn)多功能設(shè)備的散熱，本文將采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式對(duì)設(shè)備熱耗進(jìn)行分析控制。

2 熱耗分布

多功能設(shè)備結(jié)構(gòu)空間布局如圖2 所示，設(shè)備電路主要包含陣面天線、射頻電路A、射頻電路B、數(shù)字電路、電源電路及功分網(wǎng)絡(luò)。

圖2 多功能設(shè)備空間布局

陣面天線為無(wú)源組件，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射與接收，將不對(duì)其進(jìn)行熱耗考慮；射頻電路A 熱耗主要包含推動(dòng)級(jí)損耗、增益放大損耗、功放損耗及其他芯片損耗等，其總熱耗為47.17W；射頻電路B 熱耗主要包含低噪放損耗、時(shí)鐘本振損耗、干擾電路損耗及其他芯片損耗等，其總熱耗為19.05W；數(shù)字電路熱耗主要包含處理器損耗、轉(zhuǎn)換器件損耗、其他芯片損耗及電路損耗等，其總熱耗為18.7W；電源電路熱耗主要包含電源器件損耗、其他芯片損耗及電路損耗等，其總熱耗為9.5W；功分網(wǎng)絡(luò)熱耗主要包含電路損耗及器件損耗，其總熱耗為5.06W。多功能設(shè)備各個(gè)功能電路具體熱耗分布如表1所示。

表1 設(shè)備熱耗分布

3 熱控制設(shè)計(jì)

多功能設(shè)備使用要求為常溫環(huán)境20℃工作時(shí)，內(nèi)部元器件最高溫升不超過(guò)40℃，功放管溫升不超過(guò)120℃。該設(shè)備熱控制設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在熱源與熱沉之間獲取一條最優(yōu)路徑的低熱阻通道，保證熱量在規(guī)定的環(huán)境條件下快速傳導(dǎo)出去，以滿足設(shè)備的使用要求。

根據(jù)多功能設(shè)備空間布局，其具體熱控制方式為：設(shè)備腔體及蓋板材料采用鋁合金5A06，天線罩材料采用環(huán)氧玻璃鋼，局部支撐結(jié)構(gòu)材料采用PMI 泡沫，緊固螺釘材料采用不銹鋼。腔體整體采用數(shù)控加工，最小刀具圓角1.5mm，腔體側(cè)壁厚度7.6mm，中間分腔壁厚2mm，底部厚度3mm，底部粗糙度小于3.2，腔體局部鍍金，鍍金后粗糙度小于1.6，其余表面導(dǎo)電氧化處理。蓋板采用激切加工，小蓋板厚度1mm，大蓋板厚度1.5mm，蓋板表面導(dǎo)電氧化處理。天線罩采用陽(yáng)模一次固化成型，厚度1.7mm，表面噴漆處理。局部支撐結(jié)構(gòu)采用數(shù)控加工，厚度漸變，加工及裝配前須烘干除濕。陣面天線與后端對(duì)插，并通過(guò)螺釘安裝在腔體正面蓋板上。射頻電路A 通過(guò)螺釘安裝在腔體底部正面、射頻電路B通過(guò)螺釘安裝在腔體底部反面，電路表貼發(fā)熱器件背面設(shè)置金屬化陣列孔，其余發(fā)熱器件通過(guò)螺釘安裝在腔體底部，并在安裝貼合面墊銦箔。電源電路及功分網(wǎng)絡(luò)通過(guò)螺釘安裝在腔體反面蓋板上，所有安裝貼合面涂導(dǎo)熱硅脂，電路表貼發(fā)熱器件背面設(shè)置金屬化陣列孔，并加導(dǎo)熱墊。數(shù)字電路通過(guò)金屬凸臺(tái)懸空安裝在腔體反面蓋板上，發(fā)熱器件表面涂導(dǎo)熱硅脂并加導(dǎo)熱墊。采用4個(gè)12V直流風(fēng)扇對(duì)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速2 400，并設(shè)計(jì)散熱齒配合風(fēng)扇，散熱齒外形尺寸4mm×4mm，齒高有11mm及26mm兩種。

4 數(shù)值仿真

在電子設(shè)備工程領(lǐng)域，數(shù)值仿真因具有速度快、節(jié)約成本且能獲得更準(zhǔn)確結(jié)果的特點(diǎn)，已成為評(píng)估設(shè)備散熱是否合理的主要手段。多功能設(shè)備數(shù)值仿真過(guò)程主要包含建立熱模型、模型求解及結(jié)果分析三個(gè)部分內(nèi)容。具體仿真過(guò)程如下。

4.1 建立熱模型

建立熱模型的主要方式為直接建模及導(dǎo)入建模。使用仿真軟件的模型工具一步步建立仿真模型即為直接建模；將外部CAD模型導(dǎo)入仿真軟件修復(fù)后獲得仿真模型即為導(dǎo)入建模。因多功能設(shè)備布局的復(fù)雜性，本文將采用直接建模與導(dǎo)入建模相結(jié)合的方式來(lái)獲得多功能設(shè)備的熱仿真模型，且為了建立準(zhǔn)確而干凈的熱仿真模型，在不影響設(shè)備散熱路徑的原則下，將刪除螺紋孔、螺釘及螺母，刪除小特征尺寸的圓角及倒角，刪除與熱仿真無(wú)關(guān)的電纜及連接器等。

4.2 模型求解

模型求解包含求解設(shè)置及求解計(jì)算兩部分內(nèi)容。求解設(shè)置需要根據(jù)實(shí)際問(wèn)題設(shè)置相關(guān)模型參數(shù)，如環(huán)境條件、自然對(duì)流參數(shù)、輻射模型、湍流模型及邊界條件等；求解計(jì)算則在設(shè)置完成后由計(jì)算機(jī)自行完成。

為了保證多功能設(shè)備熱模型求解的精度及速度，須根據(jù)該設(shè)備實(shí)際使用條件設(shè)置模型參數(shù)，具體設(shè)置內(nèi)容為：環(huán)境溫度20℃，流體材料為空氣，固體材料為鋁合金；求解變量包含流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及重力矢量，流體流態(tài)為湍流，模型方程為增強(qiáng)兩方程；開(kāi)啟輻射換熱，輻射模型為離散坐標(biāo)輻射模型；開(kāi)啟自然對(duì)流換熱，重力方向?yàn)閆向，模型方程采用布辛涅司克假設(shè)簡(jiǎn)化密度；壓力項(xiàng)離散格式為標(biāo)準(zhǔn)格式，動(dòng)量項(xiàng)及溫度項(xiàng)離散格式均為一階格式；壓力項(xiàng)松弛因子取0.3，動(dòng)量項(xiàng)松弛因子取0.7，溫度項(xiàng)松弛因子取1；求解器為穩(wěn)態(tài)求解器，求解收斂標(biāo)準(zhǔn)是能量方程、質(zhì)量方程及動(dòng)量方程同時(shí)收斂；按熱耗分布表進(jìn)行熱耗設(shè)置，按實(shí)際情況設(shè)置材料參數(shù)、風(fēng)扇曲線及計(jì)算區(qū)域邊界；采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格生成，并采用裝配體技術(shù)控制網(wǎng)格數(shù)量及質(zhì)量；設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)以判斷網(wǎng)格數(shù)量質(zhì)量的合理性及計(jì)算結(jié)果的收斂性。

完成上述求解設(shè)置后，即可進(jìn)行多功能設(shè)備熱模型求解計(jì)算，從而獲得相關(guān)計(jì)算結(jié)果。

4.3 結(jié)果分析

環(huán)境溫度20℃時(shí)，多功能設(shè)備外表面溫度分布云圖如圖3所示。從圖中可知，最高溫度為30.91℃，位于散熱齒下部金屬板；最低溫度為20.2℃，位于風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口。除去風(fēng)扇，多功能設(shè)備外表面溫度范圍為25℃-30.91℃，溫度梯度較小，說(shuō)明該設(shè)備內(nèi)部熱源布局均勻分散，能及時(shí)通過(guò)傳熱路徑將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至外表面。

圖3 多功能設(shè)備外表面溫度分布

環(huán)境溫度20℃時(shí)，多功能設(shè)備內(nèi)部電路溫度分布云圖如圖4-圖6所示。從圖中可知，射頻電路A最高溫度為45.35℃，位于印制板表面0.87W 芯片上；射頻電路B 最高溫度為49℃，位于印制板表面1.1W 芯片上；數(shù)字電路最高溫度為45.16℃，位于印制板表面6.5W 處理芯片上。顯然，使用環(huán)境溫度20℃時(shí)，各電路溫升均未超過(guò)40℃，可以正常工作。

圖4 射頻電路A溫度分布

圖5 射頻電路B溫度分布

圖6 數(shù)字電路溫度分布

多功能設(shè)備內(nèi)部共使用5只功放管，從圖7可知，功放管最高溫度為37.52℃，該最高溫度為功放管外表面溫度。功放管熱耗為8W，具有獨(dú)立封裝，封裝熱阻為6.3℃/W，利用熱阻定義計(jì)算得到功放管內(nèi)部溫度為87.92℃。顯然，使用環(huán)境溫度20℃時(shí)，功放管溫升未超過(guò)120℃，可以正常工作。

圖7 功放管溫度分布

5 結(jié)論

本文對(duì)某型多功能設(shè)備熱控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用有限體積法對(duì)該設(shè)備的散熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明該設(shè)備在常溫環(huán)境20℃下全功能滿功率工作時(shí)，內(nèi)部元器件最高溫升未超過(guò)40℃，功放管溫升未超過(guò)120℃，均可正常使用，說(shuō)明整個(gè)設(shè)備熱設(shè)計(jì)合理，能及時(shí)將內(nèi)部熱量傳導(dǎo)至外部環(huán)境。