電子機(jī)箱強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能仿真分析

張斌 田曉旸 宋國蓮

摘? 要：文章研究了一種強(qiáng)迫風(fēng)冷電子機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)方案及熱性能仿真。將采用風(fēng)扇的散熱結(jié)構(gòu)方案轉(zhuǎn)化為基于Icepak的有限元熱分析模型，仿真計(jì)算強(qiáng)迫對(duì)流模式的機(jī)箱結(jié)構(gòu)達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度場和流體場。給出機(jī)箱內(nèi)部各發(fā)熱電氣元件的工作環(huán)境溫度，作為判斷電子產(chǎn)品熱性能優(yōu)劣的條件。并且根據(jù)電子機(jī)箱熱分析結(jié)果判斷原散熱方案是否合理，為機(jī)箱散熱機(jī)構(gòu)二次優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：電子產(chǎn)品;強(qiáng)迫風(fēng)冷;散熱仿真分析

中圖分類號(hào)：TN02? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0081-03

Abstract： The heat dissipation design scheme and thermal performance simulation of a forced air-cooled electronic chassis are studied in this paper. We transformed the heat dissipation structure scheme of the fan into an Icepak-based finite element thermal analysis model， and then simulated the temperature field and fluid field when the chassis structure of the forced convection mode reaches thermal equilibrium. The working environment temperature of the heating electrical components in the chassis is given as the condition to judge the thermal performance of electronic products. According to the thermal analysis results of the electronic chassis to judge whether the original heat dissipation scheme is reasonable or not， which provides a reference for the secondary optimization design of the chassis heat dissipation mechanism.

Keywords： electronic products; forced air cooling; heat dissipation simulation analysis

引言

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)，工作溫度是影響電子產(chǎn)品可靠性的重要因素：約55%的電子產(chǎn)品失效是由工作環(huán)境溫度超過規(guī)定值而引起的[1]。并且電子元器件工作溫度每升高10℃，其失效率會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。因此對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行針對(duì)性的散熱設(shè)計(jì)可以有效提高產(chǎn)品可靠性。

1 散熱設(shè)計(jì)方案介紹

本文研究的電子產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。由箱體結(jié)構(gòu)、電子元器件、開關(guān)電源以及機(jī)箱兩側(cè)的對(duì)流風(fēng)扇構(gòu)成。初始設(shè)計(jì)方案根據(jù)工程師的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)在機(jī)箱兩側(cè)設(shè)計(jì)一組風(fēng)扇，構(gòu)成強(qiáng)迫對(duì)流的流體通道，希望達(dá)到對(duì)流換熱的設(shè)計(jì)目的。

2 熱分析基本理論[3]

熱傳遞途徑和方式分三種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

2.1 熱傳導(dǎo)理論

熱傳導(dǎo)是由存在溫度差的高低溫物體接觸而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。傳導(dǎo)換熱的物理規(guī)律描述為傅立葉定律，即導(dǎo)熱過程中總熱流量與引起導(dǎo)熱的溫差成正比，與導(dǎo)熱面間距成反比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Φ為熱流量，單位為W;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·℃）;A為垂直于熱流方向的截面面積，單位為m2;Δt為溫差，單位為℃。

2.2 熱對(duì)流理論

熱對(duì)流是由存在溫度差的流體和固體耦合而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。對(duì)流換熱的物理規(guī)律描述為牛頓散熱公式：

式中：Φ為對(duì)流換熱量，單位為W;α為對(duì)流換熱系數(shù)，單位為W/（m2·℃）;A為換熱面積，單位為m2;Δt為流體與固體的溫差，單位為℃。

2.3 熱輻射理論

熱輻射是由高于絕對(duì)零度的物體之間互相輻射和接收能量而產(chǎn)生的熱交換現(xiàn)象。輻射換熱的物理規(guī)律描述為斯蒂芬伯爾曼黑體輻射計(jì)算公式：

式中：Φ為輻射換熱量，單位為W;α為黑體輻射常數(shù)，為6.669×10-8W/（m2·k4）;A為輻射表面積，單位為m2;T為輻射表面絕對(duì)溫度，單位為K。

對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷式箱體散熱設(shè)計(jì)，熱量的流動(dòng)路徑有兩部分：（1）利用箱體本身的箱壁作為散熱系統(tǒng)的冷板，將發(fā)熱電氣元件的熱量通過熱導(dǎo)傳遞到箱壁冷板，再通過冷板與空氣的對(duì)流換熱，進(jìn)行熱交換。（2）利用風(fēng)扇的強(qiáng)迫對(duì)流，將熱量通過機(jī)箱內(nèi)外的氣壓差引起的流體流動(dòng)傳導(dǎo)至外界，其中主控制器下方有一個(gè)增強(qiáng)局部散熱的風(fēng)扇，將局部熱量強(qiáng)迫對(duì)流至主風(fēng)道。

另外，設(shè)備風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，熱輻射的熱量經(jīng)常做忽略處理。主要原因是熱輻射的熱量一般較少，而影響輻射熱量的因素又非常多而且復(fù)雜，進(jìn)行理論計(jì)算往往不可行。本問題屬于強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)，輻射熱量占比很少，做忽略處理。

3 熱仿真建模及分析計(jì)算

利用Icepak軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格劃分類型為Hexa unstructured，X方向最大網(wǎng)格尺寸為48.2mm，Y方向最大網(wǎng)格尺寸為22.15mm，Z方向最大網(wǎng)格尺寸為30mm，最小間隙為0.2mm。劃分完成之后，進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，滿足要求。

建立仿真模型時(shí)主要的設(shè)定如下：

（1）熱計(jì)算區(qū)域取1.5倍機(jī)箱體積，重力軸向下（-Y向），計(jì)算區(qū)域的六個(gè)面均為Opening， Opening采用環(huán)境溫度（40℃）作為溫度邊界條件。

（2）建立風(fēng)扇模型。

定義右側(cè)風(fēng)扇工作方向?yàn)镮N-OUT方向，風(fēng)量為0.1kg/s。

定義左側(cè)風(fēng)扇工作方向?yàn)镺UT-IN方向，風(fēng)量為0.1kg/s。

定義主控制器下方風(fēng)扇工作方向?yàn)镈own-Up方向，風(fēng)量為0.1kg/s。

（3）設(shè)定機(jī)箱所有的結(jié)構(gòu)件的材料屬性，包括熱導(dǎo)率、比熱容、密度。

設(shè)定所有發(fā)熱元器件的熱功率。

完成的模型如圖2所示。

設(shè)置模型的流態(tài)為湍流，并采用零方程模型，同時(shí)求解流場和溫度場，機(jī)箱內(nèi)部和外部流體為空氣，大氣溫度為25℃，求解穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場和流體場。

求解完成，求解時(shí)的殘差曲線如圖3所示，迭代達(dá)到100步時(shí)求解終止。Continuty殘差沒有完全收斂，但是接近10e-3而且其它殘差均低于10e-3，判定為計(jì)算結(jié)果收斂。

電子機(jī)箱內(nèi)部溫度分布情況如圖4所示。

計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流體場的分布情況如圖5所示。

后處理結(jié)果總結(jié)如下：

（1）機(jī)箱內(nèi)部元器件工作溫度最高的是主控制器，最

高溫度為68.6℃，主控制器所產(chǎn)生的熱量主要靠主控制器下方風(fēng)扇形成的強(qiáng)迫對(duì)流傳導(dǎo)至主風(fēng)道，再由側(cè)板兩個(gè)風(fēng)扇行成的主風(fēng)道向機(jī)箱外傳導(dǎo)。

（2）電源位置也產(chǎn)生了一定的局部溫度聚集，溫度約為52℃。

左右側(cè)板風(fēng)扇工作方向?yàn)樽髠?cè)風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)右側(cè)風(fēng)扇出風(fēng)，主控制器下方的風(fēng)扇工作方向?yàn)槌吓棚L(fēng)。產(chǎn)品內(nèi)部行成的流體（空氣）場分布合理。

（3）根據(jù)切斷面的溫度分布可見，機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境溫度約為41℃。

4 熱設(shè)計(jì)分析結(jié)論

自動(dòng)測控設(shè)備在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，主控制器工作溫度為68.6℃，未超過允許的溫度上限，可以正常工作;且機(jī)箱內(nèi)部的溫度環(huán)境（約41℃）滿足其他電子元器件的工作條件。而且三個(gè)風(fēng)扇的位置及工作方向設(shè)計(jì)達(dá)到了風(fēng)道設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)意圖，形成的風(fēng)道合理有效。

5 結(jié)束語

本文提出了一種采用了強(qiáng)迫對(duì)流設(shè)計(jì)的電子機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)方案和一種基于Icepak的熱仿真分析方法，并且針對(duì)此工程問題進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了該電子機(jī)箱產(chǎn)品的散熱性能滿足要求，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可靠性。

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