某通信模塊機(jī)箱自散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

鄧孟輝，金向陽

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 輕工學(xué)院，哈爾濱 150000）

0 引言

目前，電子設(shè)備散熱系統(tǒng)的研究主要分為主動散熱和被動散熱兩類[1]。對于不同的工況和發(fā)熱功率，采用的散熱方式也有所區(qū)別[2-3]。此通信模塊芯片耐溫性能一般，功耗相對較低，且對其形狀大小有著嚴(yán)格要求，無法添加主動散熱裝置，為了使其正常、可靠地工作,必須對機(jī)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并試驗(yàn)驗(yàn)證其散熱效果，明確其滿足散熱要求的邊界條件[4-5]。本文對不同翅片參數(shù)的散熱機(jī)箱的冷卻性能進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，并選出了最佳參數(shù)以滿足此模塊的散熱要求。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)箱設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)此通信模塊過程中，根據(jù)GB/T 31845—2015《電工電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)規(guī)范》和公司具體要求，充分考慮了尺寸的小型化，在內(nèi)部布局上，采用緊湊的組件排列，以最大限度地減少空間占用。使機(jī)箱符合125 mm×125 mm×35 mm的要求。機(jī)箱內(nèi)部需要內(nèi)置一塊PCB板，板上有CPU芯片、電源、電感等各種發(fā)熱元器件，工作時(shí)元器件通過熱對流、熱傳導(dǎo)將熱量散布到機(jī)箱及周圍環(huán)境中，且各元器件的正常工作最高溫度為120 ℃，為了提高系統(tǒng)可靠性，所允許元器件的最高結(jié)溫為95 ℃。

根據(jù)PCB板上的元器件布置，機(jī)箱設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：機(jī)箱上側(cè)應(yīng)在網(wǎng)口、光口及插針正上方留有開口，方便線路的連接。而機(jī)箱的下側(cè)也應(yīng)預(yù)留與背部連接器及導(dǎo)銷座相對應(yīng)的開口，以便通信模塊與底板的固定連接。按照上述要求，機(jī)箱的上下兩側(cè)已不能有散熱翅片，否則會影響通信模塊線路的連接，而左右兩側(cè)安裝散熱翅片會影響模塊長度要求，不符合設(shè)計(jì)理念。且左右兩側(cè)面積較小，安裝散熱翅片也不能得到充分的散熱，因此應(yīng)把翅片安裝在機(jī)箱正面。利用SolidWorks建立機(jī)箱模型，如圖1所示。

圖1 機(jī)箱模型

1.2 仿真模型簡化

由于此PCB板上元器件很多，且大部分元器件產(chǎn)生的熱量極其微小，因此對PCB板應(yīng)進(jìn)行幾何簡化。保留功耗為1 W以上的元器件，將1 W以下的元器件省略處理，如圖2所示。簡化后PCB板上主要由5個(gè)發(fā)熱元件構(gòu)成，元器件參數(shù)如表1所示。對PCB板簡化處理過后與機(jī)箱進(jìn)行裝配，5個(gè)主要發(fā)熱元器件與機(jī)箱散熱蓋相接觸。由于主要熱源表面和散熱機(jī)箱表面存在著一定的空隙，而這些空隙內(nèi)的空氣的熱傳導(dǎo)性能相對較差，其熱導(dǎo)率只有0.026 W/（m·K）。因此，在主要熱源與機(jī)箱散熱蓋接觸表面加裝導(dǎo)熱墊，它可以填補(bǔ)接觸面的間隙，提高熱傳導(dǎo)性能。

表1 主要發(fā)熱元器件組成

圖2 PCB板簡化模型

2 散熱翅片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論

機(jī)箱散熱蓋局部散熱翅片模型如圖3所示，設(shè)定其參數(shù)模型如下：1）無散熱翅片的壁面熱參數(shù)包括壁面內(nèi)溫度tf1、壁面外溫度tw1、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1、壁面面積A1；2）帶有散熱翅片面的熱參數(shù)包括散熱翅片表面溫度tf2、翅片與環(huán)境之間的溫度差tw2、散熱翅片與環(huán)境之間的傳熱系數(shù)h2、散熱翅片的表面積A2、散熱翅根基部的厚度δ、散熱翅根基部的導(dǎo)熱系數(shù)k。

圖3 機(jī)箱散熱蓋局部散熱翅片模型

通過散熱翅翅壁的總熱量可以表示為

將沒有散熱翅的面積A1來除以式（1）中的每一項(xiàng)，可以得出以下公式：

翅片的熱阻可以用下式表示：

由以上公式可以看出，增加散熱翅片數(shù)量會導(dǎo)致翅化系數(shù)的增加，即翅片表面積相對于基底面積的比例增加。這意味著用來傳導(dǎo)熱量的表面積進(jìn)一步加大，散熱效果也會更加顯著。與此同時(shí)，在基底面積一定的情況下，增加散熱翅片的厚度，相鄰翅片的間距也會相對應(yīng)地縮小，導(dǎo)致空氣流動性減弱。這會影響熱量傳遞過程中的對流效果，進(jìn)而降低散熱效率。此外，較小的翅片間距可能會導(dǎo)致翅片之間的相互干擾，熱量在翅片之間的傳遞可能會受到阻礙，一部分熱量可能會被吸收或傳導(dǎo)到相鄰的翅片上，而不是被有效地散發(fā)出去。因此，在設(shè)計(jì)散熱機(jī)箱結(jié)構(gòu)時(shí)，需要通過不斷調(diào)整翅片厚度和間距，找到最佳的翅片參數(shù)組合，以提高散熱效率。

根據(jù)以上總結(jié)可以得出，在符合b≈50×H/（Gr×Pr）的條件下，機(jī)箱的散熱效率更高，即

式中：b為翅片的厚度；H為翅片的高度；v為流體的動力黏度；β為流體的體積膨脹系數(shù)；Δt為翅壁溫度與環(huán)境溫度的差值；Gr為格拉夫頓數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

3 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以在較少的試驗(yàn)次數(shù)下獲取全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對于散熱翅片的高度、厚度和間距等3個(gè)因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，然后使用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來確定各因素的水平組合。對于不同參數(shù)組合的散熱翅片，記錄每組參數(shù)下各元器件的溫度。具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 因素水平表

各參數(shù)仿真結(jié)果如表3所示，翅片參數(shù)的最優(yōu)組合為：翅片高度為5 mm，翅片厚度為1.5 mm，翅片間距為2 mm。綜上所述，在選定參數(shù)附近取值時(shí)，翅片高度對散熱能力的影響最大，其次是翅片間距，而翅片厚度對散熱性能的影響相對較小。因此，在進(jìn)行散熱機(jī)箱設(shè)計(jì)或參數(shù)調(diào)整時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮和優(yōu)化翅片高度和翅片間距。

表3 結(jié)果水平表

翅片參數(shù)優(yōu)化前后各發(fā)熱元器件溫度數(shù)據(jù)對比如表4所示，可以明顯看出，在優(yōu)化之后，各元器件的溫度分布更加均勻，元器件的最高殼溫升也有了明顯降低。經(jīng)過正交試驗(yàn)對翅片參數(shù)優(yōu)化后，元器件最高殼溫從95.8 ℃降低至90.9 ℃，達(dá)到了元器件正常運(yùn)行的要求。這表明通過優(yōu)化翅片參數(shù)成功改善了散熱效果，并有效地降低了元器件的溫度。

表4 優(yōu)化前后結(jié)果對比

根據(jù)上面的正交優(yōu)化結(jié)果得出如下結(jié)論：當(dāng)機(jī)箱散熱蓋上的翅片高度為5 mm、厚度為1.5 mm、間距為2 mm時(shí)，散熱效果最佳。將發(fā)熱元器件與機(jī)箱優(yōu)化前后的溫度場分布數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后溫度場分布對比圖

4 結(jié)論

在基于COMSOL軟件進(jìn)行的熱仿真和正交優(yōu)選中，通過控制物理場的溫度，調(diào)整流體的流速、流動方向和流動類型，設(shè)定模塊材料相對應(yīng)的熱阻和表面的輻射換熱系數(shù)及發(fā)熱元器件的熱功耗，仿真得出模塊整體穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度場分布。此外，利用正交試驗(yàn)方法不斷地優(yōu)化翅片的高度、厚度及間距等參數(shù)，得出了翅片的最佳參數(shù)為高度5 mm、厚度1.5 mm、間距2 mm，在原來的基礎(chǔ)上機(jī)箱的散熱性能提高了5.1%。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以有效地降低發(fā)熱元器件模塊的溫度，提高其穩(wěn)定性和性能，也為后續(xù)的機(jī)箱自然熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。