電子產(chǎn)品高溫試驗(yàn)箱的溫度場分析及優(yōu)化

孫 琦，于蘭英，吳文海

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引 言

電子產(chǎn)品的故障在很大程度是由于環(huán)境條件造成的，例如空氣溫度、濕度以及氣壓等外界因素都會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成一定的負(fù)面影響[1]，環(huán)境應(yīng)力篩選能夠提前檢測出電子產(chǎn)品的早期缺陷，保障產(chǎn)品的安全性和可靠性[2-4]。因此電子產(chǎn)品在投放市場前，都要經(jīng)過嚴(yán)格的高溫測試，加速芯片老化，使故障提前出現(xiàn)，從而快速剔除早期故障產(chǎn)品。在測試電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)方面，試驗(yàn)箱起到了至關(guān)重要的作用。

目前國內(nèi)對環(huán)境試驗(yàn)箱的研究水平還處于理論分析和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，沒有科學(xué)的仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化的手段。一般情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析高溫試驗(yàn)箱的溫度場情況，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行改進(jìn)[5-7]，并探討了實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施方法[8-9]。這種傳統(tǒng)的方法效率低，耗時(shí)長，一旦在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)差錯(cuò)，后續(xù)改動較為復(fù)雜，時(shí)間、資金成本較高。若先采用仿真軟件對高溫試驗(yàn)箱進(jìn)行仿真分析，再根據(jù)仿真結(jié)果對其進(jìn)行改進(jìn)，不僅能降低生產(chǎn)成本，而且提高了工作效率。

西門子公司生產(chǎn)的工業(yè)電腦在組裝完成后需要放入高溫試驗(yàn)箱進(jìn)行高溫測試，但現(xiàn)有的高溫試驗(yàn)箱存在溫度分布不均，預(yù)熱時(shí)間長的缺陷，根據(jù)公司需求及國家標(biāo)準(zhǔn)，需要對其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[10]。為此，本文首先采用流體計(jì)算軟件Fluent對現(xiàn)有的高溫試驗(yàn)箱進(jìn)行仿真分析，并通過對比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，驗(yàn)證了仿真的可靠性，在此基礎(chǔ)上針對試驗(yàn)箱主要參數(shù)提出了優(yōu)化方案，優(yōu)化后的仿真結(jié)果表明，改進(jìn)環(huán)境試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)以及入口風(fēng)速能有效改善其溫度均一性，并提高加熱速率。

1 高溫實(shí)驗(yàn)箱的模擬仿真

將現(xiàn)有的高溫試驗(yàn)箱模型經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕幚?，建立三維仿真模型，通過ANSYS Workbench平臺進(jìn)行熱流固耦合仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，從而檢驗(yàn)仿真和設(shè)置參數(shù)的準(zhǔn)確性。

1.1 物理模型

在對結(jié)果不造成影響的前提下，為方便網(wǎng)格劃分和后續(xù)計(jì)算，對實(shí)際模型進(jìn)行恰當(dāng)?shù)暮喕幚恚涸囼?yàn)箱有多個(gè)形狀不同的散熱孔分布在高溫試驗(yàn)箱下部，但在實(shí)際生產(chǎn)中散熱孔均被防塵棉和蓋板擋住，在建立模型時(shí)將這部分簡化為壁面，由于頂部散熱孔和外界環(huán)境相接觸，保留頂部散熱孔；最后對試驗(yàn)箱縫隙平面化，去除部分線束和門把手等對仿真結(jié)果無影響的外部特征。

1.2 數(shù)學(xué)模型

高溫試驗(yàn)箱內(nèi)，空氣通過送風(fēng)口從下到上的送風(fēng)方式在試驗(yàn)箱內(nèi)循環(huán)加熱，形成三維空間內(nèi)的湍流模型。在Fluent中，湍流模型的選擇有很多種，高溫試驗(yàn)箱是高雷諾數(shù)的湍流模型，采用常用的k-ε雙方程湍流模型。

1.3 熱物性參數(shù)和邊界條件的確定

入口速度和出口速度根據(jù)風(fēng)扇的風(fēng)量與風(fēng)速關(guān)系計(jì)算

式中：L——風(fēng)量；

F——通風(fēng)口面積；

v——風(fēng)口平均速度。

計(jì)算得目前選型風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口平均速度為1 m/s，出風(fēng)口平均速度為-1.73 m/s。

加熱源熱生成率為

式中：q——熱生成率；

P——熱源功率；

V——熱源體積。

熱源發(fā)熱功率為500 W，帶入數(shù)值計(jì)算可知，熱源熱生成率為807 493 W/m3。

邊界條件：實(shí)驗(yàn)表面，在自然對流的條件下，選擇壁面對流傳熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，流固耦合面為coupled。

2 高溫試驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過測量高溫試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度的實(shí)際分布情況，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真的正確性，從而對試驗(yàn)箱進(jìn)行改進(jìn)以及參數(shù)的優(yōu)化，通過仿真計(jì)算確定改進(jìn)及優(yōu)化的方向，為高溫試驗(yàn)箱的優(yōu)化提出指導(dǎo)性建議。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺包括高溫試驗(yàn)箱；Pfannenberg FLH-T-1000加熱器；卡固風(fēng)扇KA1606HA2；排風(fēng)扇；日本橫河DX1000/2000溫度無紙記錄儀以及熱敏電阻探頭。試驗(yàn)箱內(nèi)共放置11個(gè)測量點(diǎn)，根據(jù)GB/T 5170.2-2016《電工電子產(chǎn)品環(huán)境實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)方法溫度試驗(yàn)設(shè)備》[11]中的相關(guān)規(guī)定，在被測試設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)定出上、中、下3個(gè)水平層面，各測量點(diǎn)的位置與設(shè)備內(nèi)壁的距離為試驗(yàn)箱各自邊長的1/10，其中測量點(diǎn)11位于試驗(yàn)箱幾何中心點(diǎn)，根據(jù)某工廠提出的要求，還需檢測兩側(cè)面中心點(diǎn)的溫度，測量平臺如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺測試示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2是將試驗(yàn)箱目標(biāo)溫度設(shè)定為40 ℃時(shí)測量點(diǎn)的溫度時(shí)間變化曲線圖。如圖2所示，隨著時(shí)間的增長，高溫試驗(yàn)箱內(nèi)溫度呈線性增高，在70 min左右達(dá)到穩(wěn)定，基本不再變化,穩(wěn)定后試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度偏差[10]為±4 ℃?；贕B/T10592《高低溫試驗(yàn)箱技術(shù)條件》[12]所提出的要求：穩(wěn)定后，在任意時(shí)間間隔內(nèi)，工作空間中心溫度的平均值和工作空間內(nèi)其他點(diǎn)的溫度的平均值之差在±2 ℃之內(nèi)?，F(xiàn)在各測量點(diǎn)的溫度差值較大，大大減少了試驗(yàn)的可信度[13]；根據(jù)李寶晗[14]的研究可知，高溫試驗(yàn)箱加熱到所需溫度的時(shí)間過長，影響了生產(chǎn)效率。顯然，試驗(yàn)箱的溫均性以及加熱速率的參數(shù)是需要優(yōu)化的。

圖2 高溫試驗(yàn)箱各點(diǎn)溫度變化情況

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比分析

目標(biāo)溫度設(shè)置為40 ℃，實(shí)際時(shí)間分別為30 ，60 ，70 ，80 min時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比。對比圖如圖3所示。

如圖所示，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。加熱時(shí)間達(dá)到70 min時(shí)溫度基本維持穩(wěn)定。高溫試驗(yàn)箱內(nèi)穩(wěn)定后平均溫度為41.7 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為43.1 ℃，且兩曲線走勢基本重合，證明所建立的模擬仿真模型與實(shí)際情況相符，選擇參數(shù)合理，模擬結(jié)果能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

圖3 不同時(shí)間點(diǎn)各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)溫度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

3 高溫試驗(yàn)箱的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)

改進(jìn)前實(shí)驗(yàn)中采用單一加熱源進(jìn)行加熱，熱源熱流密度為807 493 W/m3，進(jìn)口風(fēng)速為1 m/s，出口風(fēng)速為-1.73 m/s。

根據(jù)初步分析可知，在高溫試驗(yàn)箱加熱模塊中，加熱器的位置以及出風(fēng)口的風(fēng)速對高溫試驗(yàn)箱的溫升過程有很大影響。Wang等[15]提出通過改變試驗(yàn)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善溫度均勻性，Smolka等[16]基于CFD的方法改善了干燥箱的三維溫度均勻性，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)速、加熱速率等提高溫度均勻性。結(jié)合實(shí)際高溫試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，對現(xiàn)有的試驗(yàn)箱進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，將單一熱源加熱改進(jìn)為雙向熱源加熱，改進(jìn)后的加熱模塊如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后加熱原理圖

設(shè)施具體仿真參數(shù)如下： 方案一：結(jié)構(gòu)為對角熱源加熱，熱源熱生成率為807 493 W/m3，進(jìn)口風(fēng)速為1 m/s，出口風(fēng)速為-1.73 m/s，加熱時(shí)間為60 min。方案二：結(jié)構(gòu)為對角熱源加熱，熱源熱生成率為807 493 W/m3，進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s，出口風(fēng)速為-1.73 m/s，加熱時(shí)間為60 min。

3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

圖5是在方案一的參數(shù)條件下11個(gè)測量點(diǎn)的溫升曲線。如圖所示，加熱時(shí)間在20 min時(shí)高溫試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定。與改進(jìn)前的溫升曲線相對比，加熱時(shí)間縮短了71.5%，穩(wěn)定后測量點(diǎn)最高溫度為41.8 ℃，最低溫度為37.2 ℃，溫度偏差在3 ℃以內(nèi)。雖然加熱時(shí)間大大縮短，但是溫度偏差不滿足國標(biāo)要求，需進(jìn)一步對高溫試驗(yàn)箱的溫均性進(jìn)行優(yōu)化。

圖6是方案二11個(gè)測量點(diǎn)的溫升曲線。如圖所示，加熱時(shí)間在25 min時(shí)溫度達(dá)到穩(wěn)定。與改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)相比時(shí)間縮短了64.3%，穩(wěn)定后測量點(diǎn)的最高溫度為41.5 ℃，最低溫度為38.5 ℃，溫度偏差在2 ℃以內(nèi)，滿足國標(biāo)要求。

圖5 仿真進(jìn)口風(fēng)速為1 m/s時(shí)溫升情況

圖6 仿真進(jìn)口風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)溫升情況

如圖7和圖8所示，是在不同進(jìn)口風(fēng)速的條件下，高溫試驗(yàn)箱的溫度場分布。

圖7 進(jìn)口風(fēng)速1 m/s時(shí)穩(wěn)定后溫度云圖

如圖7所示，保證風(fēng)速相同的情況下，在合適的位置增加加熱器，待溫度穩(wěn)定后，試驗(yàn)箱內(nèi)最高溫度為42.45 ℃，最低溫度為38.85 ℃，與單一加熱源相比，上部空間的溫度分布均一性有所提高，并將加熱時(shí)間從70 min降低至20 min，使整個(gè)箱體達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間縮短，明顯提高了加熱效率；由圖8所示，在具有相同加熱源數(shù)量的情況下，將進(jìn)口風(fēng)速從1 m/s提升至1.5 m/s時(shí)，溫度偏差從±3 ℃減少至±2 ℃，高溫試驗(yàn)箱上部空間溫度的均一性有了明顯改善。

圖8 進(jìn)口風(fēng)速1.5 m/s時(shí)穩(wěn)定后溫度云圖

模擬結(jié)果表明，通過對高溫試驗(yàn)箱的適當(dāng)改進(jìn)或提高進(jìn)口風(fēng)速可以有效改善高溫試驗(yàn)箱的溫均性以及加熱速率。由不同進(jìn)口風(fēng)速的對比仿真可知，風(fēng)速增加，箱體內(nèi)空氣流動性增強(qiáng)，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度均勻度更好，在熱源熱流密度不變的情況下，最高點(diǎn)溫度降低，箱內(nèi)溫度更加均勻，整體試驗(yàn)箱達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間縮短。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

目標(biāo)溫度設(shè)置為40 ℃，實(shí)際時(shí)間分別為15 min、30 min時(shí)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比。對比圖如圖9所示。

圖9 不同時(shí)間點(diǎn)各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)溫度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

如圖9所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在不同時(shí)間段的曲線基本吻合。當(dāng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，高溫試驗(yàn)箱內(nèi)穩(wěn)定后平均溫度為42.45 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為41.36 ℃；當(dāng)風(fēng)速為1.5 m/s時(shí)，高溫試驗(yàn)箱內(nèi)穩(wěn)定后平均溫度為41.37 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為41.84 ℃。證明改進(jìn)后物理模型及參數(shù)選取合理。

4 結(jié)束語

1）通過對高溫試驗(yàn)箱溫度場的研究，發(fā)現(xiàn)高溫試驗(yàn)箱溫升曲線主要有兩個(gè)主要階段，第一階段溫度上升時(shí)間過長，影響了產(chǎn)品測試的生產(chǎn)效率；第二階段逐漸趨于平穩(wěn)，但環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)溫度偏差不滿足電子產(chǎn)品高溫測試要求，會影響測試的準(zhǔn)確性。

2）在方案一中，通過增加熱源使試驗(yàn)箱的溫度均勻性得到了很大提升，同時(shí)也提高了加熱速率。但是溫度偏差仍然不符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

3）采用方案二不僅縮短了加熱時(shí)間，而且使高溫試驗(yàn)箱的溫度偏差維持在±2 ℃，說明改進(jìn)試驗(yàn)箱并優(yōu)化參數(shù)使得高溫試驗(yàn)箱具有良好的溫度均勻性。