龔昌星 廖西斌 崔中濤 劉秋生 范朝元 劉 豐

（重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

隨著社會的發(fā)展，人們對通信質量提出了更高的要求，意味著通信設備的各項性能需要不斷加強?；诖?，通信設備體積不斷變小，性能不斷增強，導致設備中的熱流密度急劇上升。因此，在產品設計初期對設備進行熱設計變得尤為重要。本文通過三維軟件和熱仿真軟件進行產品的初期設計，通過不斷仿真和修改產品三維模型設計理想的產品。這樣能夠縮短研發(fā)流程，降低設計成本，提高產品穩(wěn)定性，為密閉電子設備結構改善和溫度特性優(yōu)化提供參考。

1 案例分析

1.1 需求描述

要求該密閉通信設備能在最高環(huán)境溫度為71 ℃時正常工作。設備整體結構采用5A06防銹鋁機械加工而成，表面處理采用噴漆處理。設備外形尺寸為340 mm× 134 mm×230 mm（B×H×D）。設備內主要發(fā)熱器件如下：①功放模塊，功耗80 W，穩(wěn)定工作最高溫度為95 ℃；②電源模塊，功耗為15 W，穩(wěn)定工作最高溫度為95 ℃；③中央處理器（Central Processing Unit，CPU），功耗7 W，穩(wěn)定工作最高溫度為95 ℃。

1.2 散熱方式的選擇

如圖1和圖2所示，當設備溫升為40 ℃，熱流密度大于0.04 W·cm-2或者體積功率密度大于0.09 W·cm-3時，不能采用自然冷卻的方式。

設備表面積A和設備體積V分別為：

帶入數(shù)值，可得A為2 309.6 cm2，V為10 478.8 cm3。 于是，可得熱流密度為0.044 16 W·cm-2，體積功率密度為0.009 733 9 W·cm-3。

根據(jù)計算結果，該設備的熱流密度大于0.04 W·cm-2且體積功率密度大于0.09，所以選擇風扇進行強迫風冷散熱。

1.3 強迫風冷的計算

1.3.1 強迫風冷所需風量

由文獻[1]可知，強迫風冷所需的風量Q為：

式（3）中：Q為風量；W為功耗；Cp為空氣定壓比熱容，取值為1 008 J·kg-1·℃-1；Δt為系統(tǒng)內溫度與環(huán)境溫度之差，取值為22 ℃；ρ為空氣密度，取值為 1.027 kg·m-3。相關數(shù)值代入式（3），可得強迫風冷所需風量Q約為0.004 478 m3·s-1。

1.3.2 選擇風扇

根據(jù)實際情況選擇一種現(xiàn)有的風扇，其穩(wěn)定工作風量為0.001 670 m3·s-1。對比計算結果可以看出，用3個風扇的穩(wěn)定工作風量是合適的，但是因為要留有散熱余量，再加上風量要均衡，最終選用4個風扇并聯(lián)。通過實踐證明，這樣設計完全滿足要求。

根據(jù)文獻[2]、文獻[3]可知，在實際使用中，選擇風扇時能夠通過不同的空氣流量計算出系統(tǒng)的靜壓損失，從而制出系統(tǒng)的空氣阻力曲線得出風扇的工作點。通過該工作點的風壓和風量與計算出的系統(tǒng)需要的靜壓損失和風量進行對比，有助于選擇合適的風扇。

1.4 模型的建立

根據(jù)不同模塊的功耗和安裝方式，將設備的功放模塊和CPU與機箱底部接觸散熱，電源模塊與機箱前面板內表面接觸散熱，如圖3所示。因為設備采用防水設計，所以機箱主要發(fā)熱模塊的散熱只能通過傳導散熱，然后通過機箱底部的風扇將機箱內部熱量帶出，同時機箱四周的散熱齒起輔助散熱效果。因為功耗主要集中在機箱底部，所以在機箱底部設計風道，并對機箱底部發(fā)熱模塊進行強迫風冷散熱。

1.5 風道設計

由文獻[3]、文獻[4]可知，設計風道需考慮以下基本原則。第一，為了增強散熱效果，流過散熱筋之間的空氣流速和體積流量越大越好。第二，減小風道的粗糙度，從而減少空氣壓力的損失。第三，需要保證熱空氣能夠順利排出出風口。

根據(jù)以上基本原則，本設備的風道和空氣流動路徑如圖4所示。為了提高散熱筋間的空氣流速，機箱風道采用短且直的設計形式，使空氣在散熱筋間減少局部壓力損失。為了減小風阻，機箱外表面采用噴漆處理，使風道內部光滑，以減少摩擦損失。為了保證熱空氣能夠順利排出，風道與風機之間有隔板防止熱空氣回流，并且出風口面積大于風扇的進風口面積。另外，為了保證設備電磁的兼容性和穩(wěn)定性，在通風孔處應安裝金屬防塵網(wǎng)。

2 熱設計仿真

以上熱設計方法是通過半解析、半經(jīng)驗的公式選定散熱方式、壓差和流量等，不能比較準確地計算出設備中任意單個元器件的溫度，因此無法進行優(yōu)化散熱設計。所以，設計人員想在新產品量產前發(fā)現(xiàn)可能存在的散熱問題并據(jù)此優(yōu)化方案，需要通過仿真軟件來實現(xiàn)。這里采用Icepak進行仿真計算，只要建模正確，仿真結果與實際測量的誤差在10%以內[5]，能較好地滿足熱設計需要。下面主要闡述利用Icepak進行仿真的方法。

2.1 仿真過程

2.1.1 劃分網(wǎng)格

該設備模型劃分網(wǎng)格如圖5所示，網(wǎng)格質量如圖6所示，其中面網(wǎng)格大于0.02，體網(wǎng)格大于0.05。

2.1.2 溫度分布

該設備某截面溫度場分布圖如圖7所示，風道流動軌跡如圖8所示。

2.2 仿真結果

各模塊的最高溫度如表1所示。各風扇工作點的體積流量仿真結果如表2所示。如圖9所示，通過對仿真結果分析可知：設備的總風量為0.006 036 m3·s-1， 大于0.004 478 m3·s-1，滿足強迫風冷的散熱風量需求，且每個風扇工作點都在風扇特性曲線的右下部，此時風扇有著較高的工作效率，即風扇選擇合理；各模塊的最高工作溫度都在限定范圍內，滿足使用要求，說明機箱風道結構設計合理。

表1 各模塊的最高溫度結果

表2 各風扇工作點的體積流量仿真結果

2.3 工程驗證

利用此結構進行加工，在整機調試完成后，按照環(huán)境試驗要求進行高低溫工作試驗。在高溫工作試驗階段，當環(huán)境溫度達到71 ℃時，設備工作正常，通過預先放置的溫度傳感器探測到功放模塊溫度為89.7 ℃，CPU溫度為83.6 ℃，電源模塊溫度為88.1 ℃，所有模塊都低于可靠工作的最高溫度指標要求。設備交付給客戶后，多次上機測試表明，設備的實際散熱表現(xiàn)與熱仿真結果一致，滿足使用要求。

3 結語

密閉通信設備的熱設計比較復雜，通過以上設計方法，如果仿真設計時有一個環(huán)節(jié)設計不合理，能夠通過仿真結果優(yōu)化這一環(huán)節(jié)的設計，從而通過不斷優(yōu)化設計、計算和仿真得到合理的熱設計。通過此方法設計的密閉通信設備工作性能穩(wěn)定，散熱效果好，大大提高了設備的可靠性。實踐證明，此熱設計方法是一種可靠的熱設計方法。