黄开明

（中国电子科技集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

在无线通信领域，电子设备正朝着小型化、模块化以及轻量化方向发展。在设备体积变小、热流密度变大的情况下，如何对设备进行合理的热设计尤为重要。某电子设备整机热耗54 W、环境温度为55 ℃的条件下，通过自然散热不能满足散热要求。设备需选择安装风扇或合理的风道设计，通过强迫风冷将热量散到环境中。通过热仿真，对结构散热方案和风道结构进行优化[1]。

1 设备的热设计

某项目电子设备的应用环境为机载，要求设备轻型化和小型化。在此前提下，合理的热设计和结构设计尤为重要。此电子设备的设计原则是合理布局模块分层，在满足热设计指标的前提下优化风道与散热器尺寸，并对设备进行减重处理[2]。

1.1 设备组成

设备主要由电源模块、终端模块以及接口模块等组成。考虑设备内各模块的互联关系，设备总体布局采用分层式结构，如图1所示。设备分为3层，上层为接口模块，中间为终端模块，下层为电源模块，风机安装在设备后端。

图1 设备结构布局

1.2 散热方案

设备内主要热源为电源模块的两个热敏器件（环境温度55 ℃，要求壳温小于85 ℃），热耗分别为12 W、8 W。终端模块的6个热敏器件热耗分别为3 W、4 W、3 W、5 W、2 W以及5 W，接口模块的3个热敏器件热耗分别为5 W、5 W以及2 W，整个设备的热耗为54 W。针对此设备的使用环境，散热方式一般为自然散热或强迫风冷。由于设备热耗大，自然散热无法满足散热需求，因此选用强迫风冷，其具有设备简单、工作可靠、维护简便以及费用低等优点[3]。

继承以往的安装形式，电源模块的热敏器件贴壳底散热。其余模块的热敏器件通过导热块将热量传导至散热器，通过风道内的风将热量带入大气环境。根据热平衡方程，初步确定风机风量。散热器选择合适的尺寸参数，在实现散热的同时兼顾轻量化设计。通过仿真，检验热设计的结果，并根据仿真结果调整设计参数，降低风道的风阻，使所有元器件均在低于额定温度的情况下工作。

1.2.1 风机选型

设备散热所需的风量应等于各发热器件散热所需风量之和，根据热平衡方程得出整机的通风量为：

式中，Φ为系统总热耗功率，本例中为54 W；Cp为空气的比热容，常压下为1 005 J/（kg·℃）；ρ为空气密度，常压下为1.06 kg/m3；Δt为系统出风口和进风口的温度差，通常取10 ℃[4]。计算得出通风量为18 m3/h，由于系统中存在风阻，风机不可能工作在最大风量处，因此参考选型手册中风机工作曲线中的最佳工作风量选择1个ebm PAPST 3414NHH风机[5]。

1.2.2 散热器设计

根据设备结构形式，选择简单实用的片式散热器，基板尺寸为187.5 mm×142 mm×2 mm，散热肋片厚度2 mm、高度6 mm、长度162 mm。查询相关文献可知，采用强迫风冷时，满足系统温升在30 ℃以下，热流密度应小于0.08 W/cm2。设备总热耗54 W，设计散热器散热面积应大于675 cm2。设肋片数量为n，则散热表面积为187.5×142+2×6×162×n＞67 500，得出n大于21.02。考虑加工的工艺性，选取肋间距为6 mm，此时散热器效率最高[6,7]。

2 热仿真

利用电子设备热仿真软件6sigma简化不必要的非热敏器件，只建立热敏器件、散热器以及风机等模型，简化仿真模型，节省计算资源。对各热敏器件附加热耗、材料等信息，设置大气环境参数，合理的细化计算网格[8]。通过热仿真，得到图2和图3所示的温度场和流场分布图。

图2 Y向截面温度分布云图

图3 X向空气流速云图

从图2可知，电源模块热敏器件最高壳温88.4 ℃，有停机风险；其余热敏器件壳温不超过80 ℃，满足正常使用要求；电源模块热敏器件贴壳底散热效果不理想，需优化散热路径。

从图3散热器X向空气流速云图可以看出，各层间的空气流速不均匀，会使通风散热的效率降低。究其原因，风扇安装后距设备后端空间太小，风道进气口和出气口间压强太大，空气流通阻力大。因此，风扇不能距设备后端太近，需调整安装尺寸，增加风道空间[9]。

针对以上结论提出优化思路，将电源模块的热敏器件通过盖板散热，盖板设计散热齿，通过风道内的流动空气将电源模块的热量散出去[10]。风扇安装后距设备后端尺寸分别改为35 mm、40 mm、45 mm以及50 mm，对上述4种工况进行热仿真，对比仿真结果如表1所示。

表1 各种工况下的仿真结果对比

对比流场结果如图4所示。

图4 流场云图对比

对上述电源模块优化后的散热方案进行仿真，仿真结果如图5所示。

图5 优化后的Y向截面温度分布云图

当电源模块内热敏器件改为贴盖板散热后，热敏器件壳温为80.7 ℃，符合使用要求。将风扇安装位置远离设备本体后，风量增加、风阻减小，风道内流量更加均匀。仿真结果表明，风扇距设备本体40 mm为最优尺寸。

3 结 论

本文通过理论计算选取散热器参数与风扇参数，然后进行热仿真，根据仿真结果优化散热方案。通过对优化前后仿真结果的对比可知，针对此电子设备所选的风扇安装在设备后端40 mm处风阻最小，风道内流量更加均匀。电源模块在满足结构强度要求的前提下，改变传统的安装形式，改为贴散热器散热，热敏器件壳温降低了7.7 ℃，符合预期。