面向小型机械电子设备的机箱散热设计方案分析

辛佳兴，陈金忠，李守宝，马义来，朱宏武，李晓龙

(1.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院，北京 102249； 2.中国特种设备检测研究院压力管道事业部，北京 100029)

电子设备被用于民用、军事等各领域，随着技术的发展，电子设备朝着功能集成化、小型化方向发展，但同时对设备的可靠性和恶劣环境下的适应性要求不断提高[1]。功能的不断增大导致设备单位体积产热量越来越高[2]。相关研究表明，电子设备失效原因中，有近60%是由于高温导致电路连接界面损伤造成导体阻值上升，形成应力损伤造成[3]。因此，大功率和高集成度条件下，如何将电子元器件短时间形成的大量热量得到疏散，保证元器件运行环境在一个相对稳定温度场下成为保证各类机械电子设备可靠运行的一个主要研究方向[4-6]。本文以某一通信机械电子设备为对象，通过热仿真软件Flotherm软件分析了设备在运行环境下空气温度场，为机箱电路板器件进一步优化提供理论基础。

1 热分析模型构建

1.1 物料模型

本文针对国内某一机械通信设备为对象，机箱采用2U系统，设备结构形式如图1所示。采用直通风设计，进出口采用60%开孔率大孔板，风扇盘采用60 mm×60 mm×25.4 mm的三风扇周六风机，风扇入口安装滤网防尘。整个机箱包括两块125 mm×220 mm×2 mm的NT板、四块260 mm×220 mm×2 mm的LT板和一个125 mm×220 mm×2 mm的AC电源。

图1 机箱模型结构

1.2 数值模拟构建

在Flotherm中建立图1所示机箱模型后，设置模型的初始条件。其中机箱框架材料为纯铁，内部金属面板为铝制材质，芯片散热器采用铝合金材质。机箱中各电子元件能耗见表1所示。整个机箱总发热量为183.7 W。当极限外部温度达到55 ℃时，此时机箱风扇全部运转，最大风压0.23inH2O，最大风量25CFM，由于此时机箱内物体边界温度差异较小，因此，各元件传热以热传递为主，忽略热辐射的作用。

表1 机箱电子元器件功耗 W

考虑机箱内各元件几何尺寸偏差较大，采用“none”来执行网格划分，根据物体几何边界进行区分，采用正交技术，并嵌入Cut cell网格切割技术来进行网格的进一步细化，减少求解时间。将这个模型划分为34 355个网格，484 367个节点，最大长宽比为16.25。如图2所示为机箱网格细化。

图2 不同板块网格划分

根据建立好的网格划分模型，确定模型的边界条件：①环境温度55 ℃，标准大气压；②铝合金导热系数202 W/m·K，铝质材料导热系数237 W/m·K，塑料封装芯片导热系数6.5，导热垫片热阻2 W/m·K，空气隙导热系数0.026 7 W/m·K；③空气密度1.2 kg/m3，比热1 007 J/kg·℃。

2 仿真结果分析

2.1 温度场分析

图3为机箱内主要板卡的温度分布场。可以发现，NT板上的Chip1点温度最高，而LT板的Chip2、Chip3和Chip44次之。尽管Chip1位于风扇出风口，周边温度相对较低，但由于LT板上分布的芯片较多，各芯片的功耗达6W，因此可能造成较高的温度。而Chip2、Chip3和Chip4形成较高的温度是由于LT板各类元气骑处于流场下游出风口，环境温度较高，使得器件导热效果下降，散热环境恶化，且该位置的发热元件较为集中，相互影响。

图3 机箱面板表面温度场

图4给出了机箱沿X轴向0.399 m和Y轴向0.081 m向的温度场分布情况。其中红色框为Chip1和Chip44位置，从图4中可以看出，Chip1温度已经达到了100 ℃，且截面右上方空气场温度也相对较高，尽管该区域存在大量发热元件，但发热量不大，可能是由于该区域上游气流受到阻碍，导致冷却环境恶化，使得周围空气温度不断上升造成[7]。比较两个位置温度场可以发现，顺着流线方向，芯片Chip44温度逐渐上升，一方面可能是由于空气温度加热，另外方面也可能是相邻发热芯片相互影响作用引起，因此，在空间容许条件下，可通过叉拍来消除芯片间的不利影响。

图4 切线温度分布云图

图5为机箱出口截面空气温度分布场，可以看出，空气出口温度场范围保持在59.5～86.5 ℃，温度波动范围相对较大，最高温度易引起机箱出口位置元件的散热不均。同时，截面平均温度为75.6 ℃，相对来讲散热难度还是相对较大。

图5 机箱出口空气温度场分布

通过热仿真分析机箱类主要元器件的实际温度和最高温度如表2所示。可以看出，最高温度出现在NT2的Chip1位置，最高温度为106.42 ℃，LT4板的Chip44表面温度场次之，最高温度为101.32 ℃。其余各元件表面温度均在100 ℃以下。考虑到不同芯片的功效和机箱的整体温度场分布，建议温度场控制在120 ℃以下为宜，若同时考虑设计余量温度，设计芯片最高温度值为110 ℃，因此，当所有元器件温度在110 ℃以内时，则能够保证机箱的热设计能够满足基本使用要求。从当前的测试结果可以看出，尽管发热元器件最高温度均在110 ℃以下，但机箱内的温度场分布存在较大的不均匀性，且对冷却介质的利用率较大，导致Chip1和Chip44位置的芯片温度过高，且不同元器件间形成了较大的温度差，因此，需要对机箱热设计部分进行优化。

表2 机箱各主要元器件最高温度

2.2 通信机箱散热设计优化

考虑到机箱内流场分布不均导致的局部热负荷偏差较大问题，对机箱版面元件进行布局优化来解决Chip1存在的高温问题，图6为机箱NT板上的新布局方案，其中虚线方框部分为发热元件Chiip1，将该元件上移至NT板风速较大区域，利用风扇冷风来降低芯片热量，在提高空气利用率同时提高Chip1散热效率。

通过模拟计算箱体总流量20.636 72CFM，与初始设计方案总流量偏差较小。计算得到机箱沿Y轴向0.081 m处的空气速度方向，如图7所示，可见Chip1周边空气速度由最初的0.2 m/s提升到1.6 m/s，元件周边空气速度增幅明显，空气扰动性增强，元器件与周边环境换热效率增加，从而降低了Chip1元器件温度。

图6 优化机箱面板布局图

图7 Y轴向切面速度云图

表3为通过Table获得的机箱各主要元器件温度场。经过方案优化的Chip1温度大幅下降，尤其是位于NT2面板上的Chip1温度相对初始设计方案的最高温度，下降了21.5 ℃，最高温度仅为85.21 ℃，可见优化方案满足了预期要求。同时其他各类元器件温度场变化幅度保持在1 ℃范围，温度变化不大，可基本忽略。通过方案优化后，将Chip1温度成功降低到100 ℃以下，此时Chip44元器件温度最高，最高温为101.51 ℃，解决了局部温度不均的问题。

表3 机箱各主要元器件最高温度

3 结 论

(1)利用Flotherm软件对机械通信机械温度场进行分析，机箱NT2板上的Chip1点温度最高，最高温度为106.31 ℃，LT4板的Chip44表面温度场位置温度次之，温度为101.32 ℃。机箱各发热元器件满足使用要去，但温度场分布存在不均匀性，且对冷却介质的利用率较大，导致Chip1和Chip44位置的芯片温度过高。

(2)对原有设计方案进行优化，将Chiip1发热元件上移至NT板风速较大区域，利用风扇冷风来降低芯片热量，在提高空气利用率同时提高Chip1散热效率。仿真结果表明，NT2面板上的Chip1最高温度仅为85.21 ℃，优化方案满足了预期要求。同时其他各类元器件温度场变化幅度保持在1 ℃范围，各元器件温差范围缩小，有效解决了局部温度不均问题。