密封机箱的热设计.doc

【技术纵横】 2005中国电源散热器应用和技术发展研讨会密封机箱的热设计黄冬梅（北京天源博通科技有限公司 北京 100068）摘要: 很多电子设备通常要在恶劣的环境下工作，为了保证机箱内部元器件的可靠性，机箱往往会做成完全密封。满足恶劣工作条件下密封机箱内电子元器件的温度控制是密封机箱设计的要点，也是常见问题。本文对大功率器件在密封条件下的工作环境进行了研究，并应用专业的电子产品热分析软件Icepak对某产品进行了热仿真。结果表明，在一定试验结果的配合下，CFD仿真是预示电子设备温度分布可行的方案，为电子产品的研发提供了依据，并减少了风险，降低了成本。关健词: 密封 电子产品 热设计1. 引言电子设备均处于一定的环境下运输、存储和工作，这些环境因素包括：气候、机械、电磁、生物、化学以及特种环境等，如不采取有效的环境保护措施，将导致电子设备及系统功能的降低、失效或损坏。而诸多环境因素中，温度（包括高、低温及其循环）对电子设备的影响尤为关键。电子设备在工作时，输出功率通常只占输入功率的一小部分，其它大部分损失都以热能形式散发出来。随着电子设备向大功率和小型化方向发展，温升问题显得尤其突出。因此，为要保证电子设备在相应的工作环境下长期、稳定地工作，热设计必不可少。电子设备热设计是指对电子设备的耗热元器件以及整机设备或系统的温升进行控制所采取的措施，其目的在于保证电子设备或系统正常、可靠地工作。对于军用电子设备，工作环境相当恶劣，因此通常采用密封机箱来解决这一问题。但是这种方式不利的一面就是散热比较困难。一般的方法就是通过PCB板两侧的密封条来保证热传导。而这样的方式又和密封条与机箱壁之间的接触热阻有相当重要的关系。进行电子产品热设计的任务是根据电子设备的寿命剖面和任务剖面，确定设备的热环境：包括设备周围的空气温度、湿度、气压、空气流速、设备周围物体的形状和黑度、日光照射以及有无空调、空调空气的温度和速度等。进行热分析，通过热分析确定系统和单元的传热途径，确定最佳的冷却方法及确定各个传热环境的热阻，以便进行有效的热设计。进行热设计，电子设备进行系统热设计时应与电路和结构设计同步进行。在电路设计时，应尽量减少电路发热量、减少发热元件的数量；选择耐热性和热稳定性好的元器件、原材料，采用降额设计法等。在结构设计时应合理地选择冷却方法，进行传热通道地最佳设计，尽量减少热阻和摩擦发热部件，采用耐热性好地原材料等。目前多通过专业的热分析软件进行CFD仿真，提高工作效率。2.CFD模拟方程对大型空间问题的模拟，气流是不可压的。考虑组分的CFD模拟问题需要求解的N-S（Navier-Stokes）方程，包括质量、动量、能量和组分方程。质量守恒方程为： (1)对不可压缩流体可简化为： (2)动量守恒方程为： (3)其中：p静压，是应力张量（如下式）， 是重力体积力，是源项.应力张量可以描述为： (4)其中： m是分子粘性，I 是单位张量右手边第二项是体积膨胀效果。能量守恒方程为： (5)其中： , Tref为298.15K；k分子导热系数, k t是由于湍流运动引起的导热系数(), S h是源项,包括任何体积热源。 根据热焓表达的流体域的能量方程：, 其中 Tref为 298.15K.在固体区域，求解热传导方程，包括传导和体积热源引起的热流密度: (6)其中,r是密度, k是传导率, T是温度, Sh体积热源。 3自然对流自然对流可以用 Grashof 和 Reynolds 数来描述: (7)当这个值比较接近时，浮力驱动就会很明显。相反，如果这个值很小，浮力驱动可以被忽略。在一个纯自然对流问题中，浮力驱动是由Rayleigh数来确定的: (8) 其中b是热膨胀系数： , a是热扩散率：Rayleigh数小于 108表示层流，当10 8 Ra1010时为湍流。4. 接触热阻对于密封机箱来讲，热传导是散热的主要途径。机箱内器件的热量主要通过PCB板传递至机箱外壳，再通过自然散热得到解决。在整个热传递过程中，PCB板与内壁面插槽之间的接触热阻是传热的一个瓶颈。它直接影响到机箱内散热问题。对CFD仿真来讲，该接触热阻也直接影响到计算结果的精度。因此，确定一个相对准确的热阻值是获得精确仿真结果的前提。但这两个表面之间又不可能涂导热胶或导热脂之类的东西，基本属于硬接触。因此两表面之间的接触基本上如图1如示，即只有点接触。在这些点接触的间隙充满了空气，而空气的导热系数只有0.0026W/m.K，与金属材料的导热系数相去甚远。假设两接触面的近似接触面积Aa由两接触材料之间的实际接触面积Ac和没有接触的间隙面积Av组成，则Aa=Ac+Av.两接触面的接触传热系数为： (9) 其中：是有效非接触空间的厚度，k1,k2是表面1和表面2材料的导热系数，kf是间隙中介质的导热系数。 图1 接触面空气间隙示意图 (10)其中：q是热阻，DT= k2 -k1是表面1和表面2之间温差，W是两表面之间传递的功耗。工程中确定Ac,Av和的确切数值是相当困难的。我们可以通过试验方法获得比较满意的Kc值。5. 计算结果及分析5.1 接触热阻的试验获取 为了获取PCB板与外壳之间的接触热阻，采取试验方法。试验模型及CFD模型如图2所示。环境条件是常温25，测试方法是通过温度传感器测量。图3给出了CFD仿真结果。图4给出了热阻与温度关系变化曲线。图2 试验模型及CFD仿真模型示意图 图3 CFD仿真结果温度分布云图图4 CFD仿真热阻与温度变化曲线表1 计算结果与试验结果的比较试验结果（C）R=4 计算结果R=6 计算结果R=8 计算结果外壁36.236.535.634.5PCB46.645.646.347.0铝板48.548.248.749.2由图4和表1可以看出，热阻R=4-8C/W时，计算结果与试验结果比较接近。因此，建议对于此类机箱的密封情况，可以取接触热阻为4-8C/W。下面将采用这一结果对一机箱进行仿真。5.2 某密封机箱的CFD模拟 如图5所示，这是一个去掉前面板和上面板的机箱示意图。内有7块PCB板，采块PCB板上有不同的器件。图6是CFD剖分网格的切面图。可以看出，本文采用了非连续网格及非结构化贴体网格，最终的网格总数只有38万，且集中在机箱内部，每个元器件的网格都做得很清楚。采用了这种网格技术，大大减少了网格数目，节省了计算时间。功率模块激励模块跟踪模块接收模块信号模块数据模块前面板图5 某密封机箱的CFD模型图6 模型的非连续网格图 图7 模型的贴体网格图图8 计算结果温度分布云图表2 计算结果与试验结果的比较模块计算结果 C试验结果 C误差功率模块46.945.50.0298激励模块51.752.3-0.0116跟踪模块66.564.20.0345接收模块50.649.40.0237信号模块66.568.0-0.0225数据模块53.451.60.0337前面板51.649.20.0465机箱外壁45.845.30.01095.2 结论图8给出了计算结果的温度分布去图，表2给出了各模块的计算结果与试验结果的比较。由此可以看出，经过修正接触热阻后的模型CFD仿真结果与试验结果非常接近。也可以说我们通过一些简单的试验找到了解决密封机箱CFD仿真中的关键问题，并