聶澤森，楊志甫，張 威，彭方漢，周振華

某車(chē)載機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化*

聶澤森1，楊志甫1，張 威2，彭方漢3，周振華4

（1 北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076 2 北京建筑大學(xué) 北京 100044 3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100094 4 北京空間機(jī)電研究所 北京 100094）

針對(duì)某車(chē)載機(jī)箱的散熱需求，根據(jù)發(fā)熱器件的熱流密度確定了強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱形式，并對(duì)機(jī)箱進(jìn)行了詳細(xì)的散熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改造。為了驗(yàn)證和改進(jìn)散熱設(shè)計(jì)，利用DM和Icepak對(duì)原始模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，并計(jì)算得出了印制板各向熱導(dǎo)率，并通過(guò)RSO驅(qū)動(dòng)Icepak對(duì)散熱器的肋片數(shù)量和肋片厚度進(jìn)行參數(shù)化仿真。最后得出并分析了散熱器重量和印制板最高溫度的變化規(guī)律，從而確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案不僅滿足了該車(chē)載機(jī)箱的散熱需求，同時(shí)降低了產(chǎn)品的重量和成本，對(duì)風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

機(jī)箱設(shè)計(jì)；強(qiáng)迫風(fēng)冷；散熱優(yōu)化；參數(shù)化仿真

引 言

隨著電子器件集成設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，散熱問(wèn)題日益凸顯[1,2]。在方案制定階段，利用熱仿真軟件的計(jì)算結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)和指導(dǎo)散熱設(shè)計(jì)是切實(shí)可靠的途徑和環(huán)節(jié)[3-7]?？紫槌蒣8]以衛(wèi)星作為研究對(duì)象，采用Thermal Desktop求解目標(biāo)表面溫度場(chǎng)，為復(fù)雜空間目標(biāo)的紅外輻射特性計(jì)算提供了技術(shù)支撐；王曉秋[9]利用Icepak模擬了軸流風(fēng)機(jī)位置對(duì)電路板局部表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；謝金紅[10]采用Fluent對(duì)電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組散熱性能進(jìn)行了研究，并參考仿真結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化；潘華[11]在封裝工藝的研究過(guò)程中，根據(jù)Flothermal的仿真結(jié)果得出了新型DrMOS模塊的設(shè)計(jì)思路；馬建章[12]針對(duì)高功耗主板的散熱問(wèn)題，使用Solidworks Simulation分析了主板的結(jié)構(gòu)形式，并提出熱管均溫方式顯著增強(qiáng)了主板散熱效果；劉衛(wèi)剛[13]通過(guò)FloEFD軟件計(jì)算，為T(mén)/R組件設(shè)計(jì)了T形風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式，不但有效降低了T/R組件的最高溫度，而且保證了組件之間溫度一致性。這些成果和結(jié)論在指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的同時(shí)，也反映出仿真計(jì)算的必要性和可靠性。

本文旨在解決某車(chē)載機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化，確保有源電子元器件正常工作的溫度范圍，并盡量降低產(chǎn)品的總體重量和成本。首先，根據(jù)熱流密度確定冷卻方案和散熱器位置，然后在ANSYS仿真平臺(tái)中利用DM（Design Modeler）模塊對(duì)機(jī)箱物理模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，最后利用RSO（Response Surface Optimization）模塊驅(qū)動(dòng)Icepak對(duì)散熱器進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，探索出了散熱器肋片數(shù)量和肋片厚度對(duì)散熱效果的影響規(guī)律并確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 機(jī)箱散熱的設(shè)計(jì)條件

某機(jī)箱處于恒定溫度25℃的車(chē)艙之內(nèi)，其外部結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)箱殼體、顯示面板、控制按鈕和插座，如圖1（a）所示。機(jī)箱殼體采用Al-Extruded作為結(jié)構(gòu)材料，外形包絡(luò)為200mm×100mm×84mm的長(zhǎng)方體，壁厚均為2mm。在機(jī)箱內(nèi)部，水平布置的印制板由9根立柱支撐并通過(guò)螺釘固定，其上共有9個(gè)電子元器件，如圖1（b）所示。

圖1 機(jī)箱原始模型

9個(gè)元器件中，2、3和6號(hào)的熱耗較小，在熱設(shè)計(jì)中可以予以忽略，其余元器件的熱耗、熱流密度和耐受溫度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。發(fā)熱元器件耐受溫度的最低值為100℃，考慮降額設(shè)計(jì)的安全余量，將散熱設(shè)計(jì)的溫度上限設(shè)定為85℃?，F(xiàn)需考慮機(jī)箱的散熱形式并制定具體方案，從而保證內(nèi)部元器件能夠持續(xù)安全工作。

表1 熱流密度和耐受溫度

2 散熱方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)

艾默生公司對(duì)于電子元器件散熱方式的選擇依據(jù)為：在常壓下，強(qiáng)迫風(fēng)冷的應(yīng)用范圍為0.04~0.31W/cm2，小于0.04W/cm2采用自然冷卻，大于0.31W/cm2須采用水冷或其他表面冷卻。參考該準(zhǔn)則擬采用強(qiáng)迫風(fēng)冷形式對(duì)機(jī)箱進(jìn)行散熱，具體設(shè)計(jì)包括：

① 在機(jī)箱左側(cè)壁面加裝風(fēng)扇；

② 在機(jī)箱右側(cè)壁面設(shè)置出風(fēng)口；

③ 在9號(hào)元器件處布置散熱器。

具體地，選用庫(kù)存的小型軸流風(fēng)扇，尺寸為60mm×60mm×15mm，風(fēng)量約為2L/s，選擇遠(yuǎn)離9號(hào)元器件的壁面安裝風(fēng)扇可以避免由于風(fēng)扇距離散熱器太近而產(chǎn)生渦流區(qū)域和氣流短路現(xiàn)象；出風(fēng)口由18×15陣列排列的六邊形孔構(gòu)成，其外接圓直徑為2mm，不但能夠有效阻止電磁輻射外泄，而且可以形成較大的表面張力避免液體進(jìn)入機(jī)箱；采用鋁質(zhì)肋片散熱器，并在其與9號(hào)元器件之間添加導(dǎo)熱墊減小接觸熱阻。

圖2 散熱設(shè)計(jì)

3 散熱設(shè)計(jì)的仿真計(jì)算

3.1 原始模型處理

根據(jù)熱學(xué)仿真模型的簡(jiǎn)化原則[12]，在DM和Icepak中對(duì)該車(chē)載機(jī)箱的原始模型進(jìn)行如下處理，如圖3所示：

圖3 簡(jiǎn)化模型

① 刪除顯示面板、控制按鈕、插座和螺釘；

② 刪除對(duì)傳熱效果影響不大的凸臺(tái)、倒角和通孔；

按照實(shí)驗(yàn)條件, 計(jì)算參數(shù)為: 自由來(lái)流Mach數(shù)Ma∞=8.0, 總壓P0=6.0 MPa, 總溫T0=1 100 K, 來(lái)流介質(zhì)為空氣, 單位Reynolds數(shù)Re=7.053×106/m, 以平板前緣至楔體前緣距離為特征長(zhǎng)度定義的當(dāng)?shù)豏eynolds數(shù)Re=2.03×106. 實(shí)驗(yàn)已表明在三維楔體處仍然為層流流動(dòng), 因此按定常層流條件進(jìn)行計(jì)算.

③ 刪除2號(hào)、3號(hào)和6號(hào)電子元器件；

④ 將異形CAD結(jié)構(gòu)的機(jī)箱進(jìn)行Simply處理，選擇level=2；

⑤ 利用Circular Source替換印制板上的1號(hào)電子元器件；

⑥ 利用Rectangular Source替換印制板上的4號(hào)、5號(hào)、7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)電子元器件；

⑦ 利用Heat sink替換原始模型中的散熱器，具體設(shè)置如圖4（a）所示；

⑧ 利用Fan替換原始模型中的風(fēng)扇，具體設(shè)置如圖4（b）所示；

⑨ 利用Grille替換原始模型中的出風(fēng)口，具體設(shè)置如圖4（c）所示。

圖4 模型設(shè)置

3.2 印制板熱導(dǎo)率核算

表2 PCB各層材料

圖5 印制板各向熱導(dǎo)率計(jì)算

3.3 優(yōu)化仿真的軟件設(shè)置

該車(chē)載機(jī)箱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，這種情況下輻射傳熱的量級(jí)相對(duì)很小，所以在熱學(xué)仿真中關(guān)閉Radiation，并且選用零方程湍流計(jì)算模型，如圖6（a）所示；機(jī)箱處于恒溫車(chē)艙內(nèi)部，因此機(jī)箱初始溫度和風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)溫度設(shè)定為25℃；由于模型簡(jiǎn)化過(guò)程中已將全部異形CAD部件采用Icepak自帶的模型替代，因此網(wǎng)格劃分采用Hexa unstructured方法，如圖6（b）所示，并且通過(guò)檢驗(yàn)滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求；設(shè)置計(jì)算步數(shù)上限為1000，采用軟件默認(rèn)流動(dòng)和能量收斂標(biāo)準(zhǔn)，如圖6（c）所示；此外，在優(yōu)化仿真階段，為縮小計(jì)算規(guī)模，暫且忽略器件之間的接觸熱阻。

此外，如圖7所示，為了研究散熱器的具體參數(shù)對(duì)散熱效果的影響，同時(shí)出于減輕機(jī)箱總體重量的考慮，選取肋片數(shù)量和肋片厚度作為自變量，變化范圍分別為6~11和1~3，選取印制板最高溫度和散熱器重量作為因變量，利用ANSYS仿真平臺(tái)中的RSO模塊驅(qū)動(dòng)Icepak進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，總共包括18個(gè)工況，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖6 仿真設(shè)置

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)及流程

圖8 優(yōu)化仿真結(jié)果

3.4 RSO仿真的結(jié)果分析

從RSO的仿真結(jié)果可知：

① 肋片數(shù)量相同時(shí)，散熱器重量隨肋片厚度增加而增加；肋片厚度相同時(shí)，散熱器重量隨肋片數(shù)量增加而增加，如圖9（a）所示。這一結(jié)論指明了機(jī)箱減重的設(shè)計(jì)方向，即應(yīng)該在滿足散熱需求的前提下，盡量降低肋片數(shù)量和肋片厚度。

② 印制板最高溫度呈現(xiàn)出隨肋片厚度增加而升高的規(guī)律，這是因?yàn)槔咂穸仍黾訉?dǎo)致了空氣流通截面變小，降低了散熱器肋片之間空氣流量，如圖9（b）所示。此外，肋片數(shù)量越少，肋片厚度增加導(dǎo)致的印制板溫度變化越不明顯，這是因?yàn)橛≈瓢遄罡邷囟炔⒎莾H僅取決于空氣對(duì)流換熱，熱量由9號(hào)元器件傳至肋片的導(dǎo)熱通路也會(huì)對(duì)散熱效果有著一定程度的影響作用，具體機(jī)理為肋片數(shù)量較少，即對(duì)流換熱效果較差時(shí)，肋片厚度增加使得熱量更加容易傳導(dǎo)至肋片，從而增強(qiáng)了整體散熱效果，因此印制板最高溫度的差異減小。

③ 如圖9（b）所示，肋片厚度為1mm時(shí)，隨著肋片數(shù)量的增加，印制板最高溫度單調(diào)遞減；而肋片厚度為2mm和3mm時(shí)，印制板最高溫度先減小后增大。增加肋片數(shù)量一方面增大了肋片的散熱面積，強(qiáng)化了對(duì)流換熱效果；另一方面卻減小了散熱器肋片之間的空氣流量，抑制了對(duì)流換熱效果。在這兩個(gè)相互對(duì)立的影響因素作用下，肋片厚度為2mm和3mm工況下的印制板最高溫度呈現(xiàn)出了隨肋片數(shù)量先減后增的規(guī)律；而肋片厚度為1mm時(shí)，肋片厚度相對(duì)較小，肋片數(shù)量增加并未顯著抑制對(duì)流換熱效果，散熱面積增加引起的對(duì)流加強(qiáng)效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，因此呈現(xiàn)出印制板最高溫度隨肋片數(shù)量增加而持續(xù)減小的規(guī)律。

圖9 優(yōu)化因變量的變化規(guī)律

4 最優(yōu)參數(shù)的篩選確定

圖10為RSO的篩選設(shè)置，印制板最高溫度和散熱器重量均采用Minimize類(lèi)型，前者的約束條件為小于等于85℃。圖11顯示了根據(jù)上述限定條件所得的篩選結(jié)果，金星數(shù)量越多表示越接近限定條件。由圖可知，肋片數(shù)量為8的設(shè)計(jì)工況重量最小，而肋片數(shù)量為11的設(shè)計(jì)工況印制板最高溫度最低。經(jīng)過(guò)綜合考慮，確定散熱器的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)：肋片數(shù)量為8，肋片厚度為1mm。

圖10 篩選條件

圖11 篩選結(jié)果

選取散熱器最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，并考慮器件之間的接觸熱阻，利用Icepak對(duì)最終方案進(jìn)行詳細(xì)仿真，結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，印制板最高溫度為83.61℃，散熱器最高溫度為79.75℃，滿足機(jī)箱內(nèi)部電子元器件安全工作的溫度要求，并且空氣流道設(shè)計(jì)合理，流速分配均勻，不存在明顯的渦流區(qū)域和氣流短路現(xiàn)象。

圖12 最優(yōu)方案仿真云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某車(chē)載機(jī)箱進(jìn)行了散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化，根據(jù)有源發(fā)熱器件的熱流密度確定了強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱形式，并對(duì)機(jī)箱加裝了風(fēng)扇、散熱器和導(dǎo)熱墊。為確保方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)Response Surface Optimization驅(qū)動(dòng)ANSYS Icepak對(duì)18個(gè)組合工況進(jìn)行了仿真計(jì)算，從對(duì)流換熱和熱量傳導(dǎo)兩個(gè)方面分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)散熱效果的影響規(guī)律。最后綜合考慮耐受溫度和機(jī)箱重量，確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并給出了該工況下的溫度云圖和流速云圖。該方案以散熱設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，以結(jié)構(gòu)優(yōu)化為落腳點(diǎn)，不僅滿足了車(chē)載機(jī)箱的散熱需求，同時(shí)降低了產(chǎn)品重量和成本，對(duì)機(jī)箱的風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

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Thermal design and optimization for a vehicle-mounted chassis

NIE Zesen1, YANG Zhifu1, ZHANG Wei2, PENG Fanghan3, ZHOU Zhenhua4

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China; 2. Beijing University of Civil Engineering & Architecture, Beijing 100044, China; 3. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering Beijing Key Laboratory of Space Thermal Control Technology, Beijing 100094, China; 4. Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Aiming at the heat dissipation requirement of a certain vehicle-mounted chassis, this paper chooses the forced air cooling form and carries out detailed thermal design and structure retrofitting according to the heat flux of heating devices. In order to verify and improve the heat dissipation method, original model is simplified with DM and Icepak, and the anisotropic thermal conductivity of PCB is calculated out. After that, the fin count and thickness are chosen for parametric design simulation which is conducted with RSO driving Icepak. The variations of the heat sink weight and the maximum temperature in PCB are obtained and discussed, and the optimal solution is determined based on the simulation results. This thermal design can not only meet the heat dissipation requirement, but reduce the weight and cost of this vehicle-mounted chassis, and it could provide some reference and guidance for air cooling design.

Chassis design; Forced air cooling; Heat dissipation optimization; Parametric simulation

TB4

A

CN11-1780(2019)05-0047-09

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

航天預(yù)研項(xiàng)目

2019-06-12

2019-09-10

聶澤森 1986年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橄嗫仃囂炀€結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)。

楊志甫 1982年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄嗫仃囂炀€結(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì)。

張 威 1988年生，博士，講師，主要研究方向?yàn)閾Q熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與換熱分析。

彭方漢 1982年生，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橄嗫仃囈豪湎到y(tǒng)設(shè)計(jì)。

周振華 1991年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橄鄼C(jī)熱控技術(shù)。