一種便攜式控制機(jī)箱的散熱改進(jìn)分析

田洪寶，衛(wèi)劍梅，雷 鵬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

0 引言

便攜式控制機(jī)箱由于重量輕、內(nèi)部空間大、攜帶方便、內(nèi)部可放置多個(gè)模塊和板卡，被廣泛用于戶外設(shè)備的供電、信號(hào)采集及傳輸。這種機(jī)箱主要采用鋁合金外殼并噴涂三防抗鹽霧保護(hù)漆層。該機(jī)箱的工作環(huán)境多為戶外，且需長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)受陽(yáng)光直射，因而會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部出現(xiàn)一定溫升。另外，由于機(jī)箱內(nèi)部板卡集中，發(fā)熱模塊較多，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作也會(huì)導(dǎo)致多個(gè)模塊之間相互發(fā)生熱輻射或通過(guò)框架發(fā)生熱傳導(dǎo)進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)箱板卡局部區(qū)域出現(xiàn)熱量集中或熱耦合現(xiàn)象。部分板卡模塊的控制芯片均有嚴(yán)格的臨界工作溫度，如果機(jī)箱內(nèi)部器件布局或總體散熱設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致內(nèi)部各發(fā)熱源向外散熱的效率低，可能造成部分板卡模塊芯片的高溫失效，進(jìn)而嚴(yán)重影響所控制設(shè)備的正常使用。

1 控制機(jī)箱實(shí)際概況及熱力學(xué)分析

便攜式控制機(jī)箱外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)箱外殼由6061-T651 優(yōu)質(zhì)鋁合金拼接而成，尺寸為300 mm×200 mm×165 mm。機(jī)箱內(nèi)部板卡安裝采用標(biāo)準(zhǔn)間距的滑槽導(dǎo)向固定，板卡借助支撐框架和擰緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定連接，板卡與底板通過(guò)接插件連接，其他模塊如溫控模塊、交換機(jī)模塊、編碼器模塊、遠(yuǎn)程繼電器模塊及電源模塊等均采用發(fā)熱面背貼鋁合金安裝板的方式固定。

圖1 便攜式控制機(jī)箱外形結(jié)構(gòu)

密閉式機(jī)箱主要依靠?jī)?nèi)部模塊及支撐框架間在重力作用模式下的熱傳導(dǎo)和輻射換熱來(lái)進(jìn)行散熱，其一般散熱計(jì)算公式要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)考慮內(nèi)部熱傳導(dǎo)和熱輻射兩項(xiàng)基本參數(shù)，計(jì)算公式為

式中：W1為箱體散熱量，W；SS為機(jī)箱內(nèi)側(cè)面積，ST為機(jī)箱上頂面面積，m2；SB為機(jī)箱下底面面積，m2；ΔT為機(jī)箱內(nèi)外溫差，℃；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，為5.67×10-8W·m-2·K-4；ξ為物體的表面黑度（表面輻射率）；TM為環(huán)境溫度和外壁面溫度的平均值，℃；S為箱體外表面面積，m2。

各模塊主要依靠自然散熱方式進(jìn)行熱量散發(fā)。各模塊熱量借助安裝支架和擰緊機(jī)構(gòu)將熱量傳導(dǎo)至框架，進(jìn)而借助自然散熱或外部風(fēng)吹帶走熱量。機(jī)箱結(jié)構(gòu)合理簡(jiǎn)化后，內(nèi)部各部分組成如圖2 所示。

圖2 便攜式控制機(jī)箱內(nèi)部組成

經(jīng)參考相關(guān)模塊的技術(shù)資料及多次實(shí)測(cè)對(duì)比，獲得各板卡及模塊的平均發(fā)熱功率，如表1 所示。

表1 機(jī)箱內(nèi)部各發(fā)熱模塊發(fā)熱功率統(tǒng)計(jì)表

機(jī)箱內(nèi)部總發(fā)熱功率達(dá)到56.8 W。經(jīng)查詢，主要核心器件主控板的控制芯片耐熱極限為70 ℃，跟蹤板的控制芯片耐熱極限為70 ℃，電源的耐熱極限為80 ℃。

為加快仿真速率，借助三維軟件對(duì)機(jī)箱進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，對(duì)部分不影響內(nèi)部散熱結(jié)果的結(jié)構(gòu)件及螺紋孔特征進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 特征簡(jiǎn)化后的機(jī)箱結(jié)構(gòu)

將模型導(dǎo)入仿真軟件，再次利用自帶的SIMPLY功能對(duì)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成可計(jì)算的模型。轉(zhuǎn)換后的模型完整地進(jìn)行了特征保留，同時(shí)將各部分模塊轉(zhuǎn)換為ICEPAK 軟件可識(shí)別的模塊類型[1-2]。轉(zhuǎn)換后的機(jī)箱特征如圖4 所示。

圖4 模型轉(zhuǎn)換后的機(jī)箱結(jié)構(gòu)

將環(huán)境溫度設(shè)置為35 ℃，選擇Zero-equation湍流模式和沿著Z軸的重力加速度，打開(kāi)輻射選項(xiàng)，以確保各模塊間能進(jìn)行熱量輻射交換。在property內(nèi)部對(duì)各模塊進(jìn)行材料賦予及發(fā)熱功率添加，其中發(fā)熱較大的電源模塊、主控板及跟蹤板需額外添加發(fā)熱源[3]。板卡模塊熱源添加如圖5 所示。

圖5 添加板卡模塊熱源

主控板及跟蹤板組件平面二維剖切溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖6、圖7 所示。主控板及跟蹤板組件的三維溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖8 所示。電源模塊的三維溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9 所示。

圖6 主控板組件平面二維剖切溫度場(chǎng)

圖7 跟蹤板組件平面二維剖切溫度場(chǎng)

圖8 主控板、跟蹤板組件三維溫度場(chǎng)

圖9 電源模塊三維溫度場(chǎng)

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，電源模塊的發(fā)熱較大，其附近熱量相對(duì)較高，且熱量通過(guò)機(jī)箱壁板陸續(xù)傳遞到附近的板卡和其他器件。主控板與跟蹤板因距離較近，兩者安裝框架發(fā)生了熱傳導(dǎo)交換，兩種板卡的芯片部位熱量均較高，最高溫度均超過(guò)了各自的極限耐受溫度。因箱體封閉，箱內(nèi)熱量?jī)H能通過(guò)箱體壁向外散發(fā)熱量，散熱效率有限[4]。導(dǎo)致該問(wèn)題的原因主要有以下4 個(gè)。

第一，主要工作板卡主控板和跟蹤板布置過(guò)于靠近，導(dǎo)致熱量通過(guò)擰緊框架進(jìn)行持續(xù)的熱傳導(dǎo)，進(jìn)而出現(xiàn)兩個(gè)板卡之間的熱傳導(dǎo)交換，加劇了板卡的升溫速度。

第二，電源模塊固定在機(jī)箱鋁合金后殼，由于系統(tǒng)模塊較多且均需供電，導(dǎo)致其發(fā)熱功率也比較高，為主要熱源。熱量沿著由高到低的傳播路徑不斷地向其他溫度相對(duì)較低的模塊轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致電源安裝板附近形成了較高的熱源擴(kuò)散。

第三，熱耦合。板卡之間的主要發(fā)熱芯片距離較近，由于無(wú)風(fēng)扇吹動(dòng)，熱量只會(huì)在重力作用下擴(kuò)散，通過(guò)熱輻射的方式進(jìn)行不斷傳遞，造成互不直接接觸的器件之間的間接熱耦合，進(jìn)而加劇了機(jī)箱內(nèi)溫度上升勢(shì)頭。

第四，框架傳熱。機(jī)箱內(nèi)部框架多為鋁合金材料，導(dǎo)熱系數(shù)較高。如果內(nèi)部熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)，機(jī)箱框架也會(huì)間接地成為熱源，進(jìn)而導(dǎo)致熱量四處擴(kuò)散。

由仿真結(jié)果可知，主控板最高溫度已超過(guò)臨界溫度70 ℃，跟蹤板局部最高溫度已超過(guò)臨界溫度70 ℃，電源模塊部位最高溫度已達(dá)到74 ℃，電源模塊熱量和箱體內(nèi)部板卡之間發(fā)生了熱交換，導(dǎo)致箱內(nèi)多個(gè)器件極限溫度出現(xiàn)了大幅上升，進(jìn)而導(dǎo)致部分板卡超過(guò)耐受極限溫度而失效。

2 控制機(jī)箱的內(nèi)部散熱改進(jìn)思路

考慮到機(jī)箱內(nèi)部布置和發(fā)熱情況，考慮從以下5 個(gè)方面[5-6]實(shí)施改進(jìn)：將主要發(fā)熱源與其他熱源做絕熱隔離，降低熱傳導(dǎo)效率，拉遠(yuǎn)傳熱路徑；機(jī)箱內(nèi)部熱量之間通過(guò)熱傳導(dǎo)傳播，將主要發(fā)熱器件距離拉遠(yuǎn)，降低相互間的熱耦合；對(duì)主要發(fā)熱源上的芯片等核心器件加裝翅片散熱，降低核心芯片的高溫聚集；由于機(jī)箱主要放在空曠干燥的地方，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱量的良好散發(fā)，在機(jī)箱內(nèi)部形成貫通通道，幫助熱量散失；對(duì)發(fā)熱芯片加裝風(fēng)道，風(fēng)道直吹發(fā)熱芯片，快速帶走熱量。

因此，結(jié)合工程實(shí)際可操作方式，提出以下改進(jìn)措施。

第一，電源為主要熱源，要實(shí)現(xiàn)其與第二熱源跟蹤板的隔離，將其挪至機(jī)箱外部放置，并在發(fā)熱源安裝面上加工翅片進(jìn)行對(duì)外傳導(dǎo)散熱。同時(shí)，在機(jī)箱和電源模塊之間加裝低導(dǎo)熱率的硅膠墊，進(jìn)行熱傳導(dǎo)隔離。

第二，拉大主控板與跟蹤板板卡的上下安裝間距，同時(shí)更改板卡固定框特征，避免框架距離過(guò)近。

第三，針對(duì)板卡組件的主要芯片發(fā)熱源加裝散熱翅片，同時(shí)在前蓋特定位置開(kāi)窗，進(jìn)行風(fēng)吹散熱。芯片的散熱翅片迎風(fēng)安裝，以快速帶走熱量。

第四，在前蓋上正對(duì)兩個(gè)板卡發(fā)熱芯片的位置加裝散熱風(fēng)道，在機(jī)箱后殼上加裝兩個(gè)3010 系列抽風(fēng)風(fēng)扇，在電源模塊盒體側(cè)部加裝4 個(gè)3010 系列抽風(fēng)風(fēng)扇。這樣，箱體風(fēng)扇直吹電源模塊輔助散熱，電源模塊風(fēng)扇將內(nèi)部熱量持續(xù)抽出，同時(shí)進(jìn)風(fēng)道可實(shí)現(xiàn)主發(fā)熱芯片的熱量散失。

當(dāng)機(jī)箱散熱除了熱傳導(dǎo)和熱輻射，添加了外部對(duì)流時(shí)，箱體的散熱量計(jì)算發(fā)生了變化，具體計(jì)算公式為

式中：W1為箱體散熱量，W；SS為機(jī)箱內(nèi)側(cè)面積，m2；ST為機(jī)箱上頂面面積，m2；SB為機(jī)箱下底面面積，m2；ΔT 為機(jī)箱內(nèi)外溫差，℃；σ 為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，為5.67×10-8W·m-2·K-4；ξ 為物體的表面黑度（表面輻射率）；TM為環(huán)境溫度和外壁面溫度的平均值，℃；S 為箱體外表面面積，m2；μ 為通風(fēng)口處風(fēng)速，m·s-1；A 為通風(fēng)口面積，m2。

控制機(jī)箱內(nèi)部改進(jìn)點(diǎn)如圖10 所示。

3 控制機(jī)箱內(nèi)部改進(jìn)后的熱力學(xué)仿真驗(yàn)證

改進(jìn)后，再次進(jìn)行熱力學(xué)仿真。主控板及跟蹤板組件的平面二維剖切溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖11、圖12 所示。改進(jìn)后的主控板及跟蹤板組件的三維溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖13 所示。改進(jìn)后的電源模塊的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖14 所示。絕熱硅膠的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖15 所示。

圖11 改進(jìn)后的主控板組件平面二維剖切溫度場(chǎng)

圖12 改進(jìn)后的跟蹤板組件平面二維剖切溫度場(chǎng)

圖13 改進(jìn)后的主控板、跟蹤板組件三維溫度場(chǎng)

圖14 改進(jìn)后的電源模塊三維溫度場(chǎng)

圖15 隔熱硅膠墊三維溫度場(chǎng)

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，將主要熱源電源模塊隔離并加裝散熱翅片以及對(duì)主要發(fā)熱芯片設(shè)置散熱風(fēng)道后，機(jī)箱內(nèi)部熱源集中現(xiàn)象得到較好的解決，主控板和跟蹤板的極限溫度分別為68.3 ℃和67.9 ℃，均低于各自的安全溫度極限。電源模塊因加裝了散熱風(fēng)扇和導(dǎo)熱翅片，極限溫度為63.0 ℃，較之前大幅下降；隔熱硅膠墊溫度場(chǎng)顯示，因加裝了隔熱硅膠墊，電源熱量向箱體傳導(dǎo)的速率明顯降低。通過(guò)仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，機(jī)箱內(nèi)熱流已形成完整的貫通通道，有效確保了機(jī)箱內(nèi)部各板卡的正常工作溫度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)控制機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改進(jìn)，有效解決了箱體在戶外長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作后內(nèi)部板卡過(guò)熱導(dǎo)致板卡超過(guò)溫度極限而失效的情況，確保了箱體內(nèi)部各模塊單元正常的工作環(huán)境。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證，本文得出以下改進(jìn)結(jié)論：電源模塊發(fā)熱較大，需與其他發(fā)熱源借助低導(dǎo)熱率材料做導(dǎo)熱隔離，避免發(fā)生階梯熱傳導(dǎo)；板卡間距適當(dāng)留出距離，降低主要發(fā)熱芯片間的熱輻射傳導(dǎo)散熱概率；對(duì)主要發(fā)熱芯片加裝風(fēng)道，可有效降低芯片熱量集中，避免高溫失效；機(jī)箱加裝風(fēng)扇，可有效形成貫通的散熱通道，有助于散發(fā)熱量。