曹耀辉 陈远益

摘  要：根据机箱热载荷等边界条件，对密闭机箱中功能模块的热功耗热流密度进行分析和计算。根据理论计算机箱与空气自然对流的热流密度值来评估散热性能，并将计算结果与空气自然对流散热的热流密度阈值进行比较：在此基础上使用建模软件Creo 4.0完成机箱的CAD数字样机建模，使用Flotherm有限元仿真软件进行热仿真分析，完成机箱参数设定、网格划分，对机箱进行精确的热仿真计算，验证机箱热设计的可靠性，为其他同类电子产品设计提供参考。

关键词：热功耗;热流密度;机箱;热仿真;Flotherm软件

中图分类号：TN02       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）22-0041-04

Heat Dissipation Analysis of Closed Chassis Based on Flotherm

CAO Yaohui，CHEN Yuanyi

（Changsha Chaochuang Electronic Co.，Ltd.，Changsha  410221，China）

Abstract：According to the thermal load and other boundary conditions of the chassis，the thermal power consumption and heat flux of the functional modules in the closed chassis are analyzed and calculated. According to the theory to calculate heat flux value between the chassis and natural convection of air to evaluate thermal performance，and the calculated results are compared with the heat flux threshold value of natural convection heat dissipation of air：on this basis，the modeling software Creo 4.0 is used to complete the CAD digital prototype modeling of the chassis，use Flotherm finite element simulation software for thermal simulation analysis，complete the chassis parameter setting，grid division，carry out accurate thermal simulation calculation of the chassis，verify the reliability of the chassis thermal design，and provide reference for the design of other similar electronic products.

Keywords：thermal power consumption;heat flux;chassis;thermal simulation;Flotherm software

0  引  言

随着现代电子技术的迅速发展，电子设备已经广泛应用于人类生活各个领域，其中图像信息处理技术已成为目前研究的热点之一，各种以机箱为载体的图像处理模块也因此层出不穷。在各种恶劣环境下，热设计与仿真成为保证机箱可靠性的前提，热设计的好坏直接影响电子产品的工作性能、可靠性以及寿命。解决电子产品过热问题已成为目前国内外电子设备热设计技术领域的研究热点。

本项目为长沙超创电子与某研究院合作研制的图像控制处理机箱，难点在于如何实现“尽量减少热阻，加快散热速度，降低内部温升，提高设备可靠性”;作者通过对机箱热量传播路径的分析和温度分布云图计算，研究加强机箱散热的有效措施并指导相应结构设计。前期已生产出样机，目前已完成小批量生产，并进行过多轮相关验证性的高温试验，试验的结果与仿真分析结果吻合度较高。

1  机箱结构组成

用Creo 4.0三維软件进行机箱CAD数字样机建模，机箱的组成如图1所示，主要由机箱、模块1（6U板）、模块2（6U板）、电源模块组成;机箱由左/右侧板、底板（PCB）、前面板组件、后盖板及上盖板组成（搭接处设有密封槽和EMC，文中不再赘述），根据环境适应性要求的“高温湿热”环境条件，机箱采用密闭结构形式，模块1、模块2及电源模块为高热耗模块，其中模块1热耗30.0 W，模块2热耗35.0 W，电源模块热耗30.5 W，主要散热芯片如表1所示，剩余热耗均匀加载至PCB板和邻近的结构件上。机箱外形尺寸为272.00 mm×210.00 mm×196.00 mm;模块1外形尺寸233.35 mm×145.00 mm×16.00 mm;模块2外形尺寸233.35 mm×146.00 mm×16.50 mm;电源模块外形尺寸159.00 mm×98.00 mm×27.00 mm。

通过对机箱内部模块散热状况进行分析，可以看出影响散热性能的因素主要有以下两个：即模块导热板和导热结构的导热性能，以及机箱左、右侧板与空气自然对流散热（含表面辐射散热）。模块导热板的导热性能满足热设计要求，可以保证内部模块（散热芯片）产生的热量通过芯片的Rth（J-C）（结-壳热阻）传导至导热垫（本文选的型号为GR-HM，热导率为6 W/（m·K））、导热板（材料选用6061-T6，热导率为180 W/（m·K），表面处理方式为黑色硬质阳极氧化），热量尽快从导热板表面传递至两侧边缘，再通过锁紧条组件传导到机箱左、右侧板，最终通过机箱左、右侧板外壁与外部进行自然对流换热，从而保证传导至左、右侧壁的热量能够通过自然对流全部散出到外部空气中;散热途径为：散热芯片通过导热垫传到导热板，导热板传导至两侧板（机箱），机箱对外辐射散热，如图2所示。

通过计算箱体外壁与空气对流散热的热流密度可以研究密闭机箱的整体散热情况。

2  热设计理论分析计算

根据协议，“环境适应性”机箱的使用环境温度范围为-41 ℃～50 ℃;散热方式：自然对流散热+辐射散热。主要高热耗散热模块参数如表1所示。3个模块的总热耗为：

其中，Q1为模块1的热耗35.0 W;Q2为模块2的热耗30.0 W;Q3为模块3的热耗30.5 W。

机箱热稳态下散热表面的热流密度的计算为：

其中，A为散热总面积（外表面），A=4 848 cm2。机箱达到稳定状态下的热流密度计算为：

机箱最高环境温度为50 ℃，根据设备的内部模块结构及主要高热耗元器件的耐高温性能（不超过95 ℃～125 ℃），粗略估计元器件内部温升应控制在35 ℃～45 ℃（预留10 ℃的安全裕量），密闭机箱自然对流散热达到热稳态后，内部温升不超过35 ℃～45 ℃时，根据对流换热理论：自然对流散热的热流密度阈值一般为4.2×10-2 W/cm2～5.1×10-2 W/cm2。根据设备允许温升和热流密度选择冷却方法，如图3所示，由计算结果得出，机箱热稳态下的热流密度Φ小于自然对流散热的阈值，机箱内部温升小于35 ℃，模块、器件的工作温度小于95 ℃，机箱自然散热可以满足要求。选择“自然对流散热+辐射散热”的方式。

3  机箱散热的仿真分析计算

3.1  建立热模型

根据Creo 4.0软件建立的机箱三维模型，对机箱进行仿真计算分析，首先简化机箱3D模型，去除标准件（如螺钉、螺母、平垫、弹垫）、圆角、安装孔等不影响散热仿真的零部件及相关细节。

具体步骤为：

（1）使用Creo 4.0将机箱模型进行简化;

（2）删除标准件（如安装螺钉）等不影响散热的细节;

（3）通过FloMCAD Bridge将简化处理后的模型导入Flotherm 软件;

（4）按正确的传热路径，建立机箱系统的热仿真模型;

（5）在导轨与机箱插槽、锁紧条与机箱插槽等处设置相应接触热阻;

（6）环境温度设置为50 ℃（默认环境温度、辐射温度、系统环境温度均设置为该值）;

（7）散热方式为“空气自然对流散热+辐射散热”（设置重力方向，各结构件的辐射设为08mm subdivided）;

（8）密闭机箱自然对流，流态设置为湍流;

（9）设置实际情况下外部空气流速为2 m/s的自然风。

机箱参数：总热耗为95.5 W，导轨与机箱插槽、锁紧条与机箱插槽等处接触热阻设置为0.003 km2/W。在Flotherm软件中建立热分析模型，如图4所示。

3.2  热仿真计算结果

根据客户协议“环境适应性”要求的最高环境温度设置为50 ℃，模拟温箱的实际情况（设置风速为2 m/s），机箱达到稳定状态的温度分布云图如图5所示，整个设备的最高温度123 ℃，为清晰显示仿真结果，如图6所示去除上盖板部分的温度分布云图。

热量主要集中在机箱的后半区域，在进行机箱整体的结构热设计时，应在该区域加强散热，如增加机箱左、右侧板后半区域的散热筋片数量，尽量实现机箱前面板、后盖板组件与左、右侧板之间的热交换，将热量均匀化，提高机箱与外部空气的对流换热效率。

内部模块主要芯片最高温度如表2所示，模块1最高温度122.6 ℃;模块2最高温度105 ℃;模块3壳温为80.7 ℃;模块1和模块2的TPS53355芯片最高允许结温为125 ℃;模块3最高允许壳温为85 ℃;因此满足高温环境要求，机箱内部发热模块集中区域出现热量聚集，最高工作环境温度接近79 ℃，应在模块与机箱壁之间采取冷板结构等加强散热措施。另外：模块1和模块2最高温度均在芯片TPS53355处，模块1的TPS53355结温为122.6 ℃，模块2的TPS53355结温为105 ℃，两者相差17.6 ℃，这是由于模块1中TPS53355距离锁紧条装置较远，模块2中TPS53355距离锁紧条装置较近;仿真结果表明芯片在PCB板上的布板位置以及芯片散热的导热路径优劣直接影响系统的散热性能。

一般的芯片，热设计时仅把Rth（J-C）通过导热垫导出至导热板即可满足散热要求，但是本论文的主电源芯片TPS53355，根据芯片手册可以查出相应热参数：芯片TPS53355的Rth（J-C）=17.1 ℃/W（结-壳热阻），Rth（J-B）=5.9 ℃/W（结-板热阻），由于Rth（J-B）比Rth（J-C）小，仅通过Rth（J-C）经导热垫导出至导热板，是不能满足散热要求的（该工况的仿真结果表明：仅通过Rth（J-C）导出，TPS53355的结温会超出芯片允许结温，具体细节在此不再赘述）。在此给出该芯片的最佳散热路径：把Rth（J-C）和Rth（J-B）都導出至导热板，即在PCB板TPS53355芯片周围区域设置镀铜区域，热量除了传统的Rth（J-C）通过导热垫导出至导热板外，还经Rth（J-B）传导至镀铜区域，再经导热垫传导至导热板，从而提高TPS53355的散热效率，控制实际结温低于允许最高结温，使各模块满足散热要求。

4  结  论

通过分析机箱内部发热模块的散热路径，计算工况为“自然对流散热+辐射散热”的热流密度，使用Flotherm软件对机箱进行散热仿真计算，得到热稳定状态下的温度分布云图，各模块表面的最高温度（壳温）及主要芯片的结温，根据理论分析计算及Flotherm仿真计算结果，结论如下：

（1）在自然冷却条件下，环境温度为50 ℃，一个大气压的条件下，密闭机箱达到热稳态的热流密度小于自然对流散热的阈值;

（2）仿真计算结果清晰表明，通过机箱自然对流及辐射散热满足各芯片结温要求，即各主要高热耗芯片仿真计算结温低于芯片允许最高工作结温，设备能正常工作;

（3）芯片在PCB板上的布板位置以及芯片散热的导热路径优劣直接影响系统散热性能;

（4）TPS53355的最佳散热路径把Rth（J-C）和Rth（J-B）都导出至导热板，才能满足允许结温要求;

（5）高温试验结果与仿真结果接近，为其他电子设备热仿真分析提供参考依据。

参考文献：

[1] 黄建峰.中文版Creo 4.0从入门到精通 [M].北京：机械工业出版社，2017.

[2] 李波.FloTHERM软件基础与应用实例：第2版 [M].北京：中国水利水电出版社，2016.

[3] 薛晨辉.大功率密封机箱的热设计 [J].电子机械工程，2005（6）：4-7+24.

[4] 李玲娜，蔺佳.基于ANSYS Icepak的密闭机箱散热仿真分析 [J].光电技术应用，2012，27（6）：75-79.

作者简介：曹耀辉（1982—），男，汉族，湖南湘潭人，中级工程师，硕士，研究方向：电子设备结构设计及热管理。