結(jié)合某型車載衛(wèi)星通信產(chǎn)品的整機(jī)散熱設(shè)計工作,利用有限元熱仿真軟件6SgimaET對散熱方案的進(jìn)行仿真和分析?根據(jù)初步仿真結(jié)果對產(chǎn)品散熱能力提出了改進(jìn)和提升措施,并對措施進(jìn)行閉環(huán)仿真驗(yàn)證,結(jié)果顯示改進(jìn)措施正確有效?

有資料表明,電子設(shè)備的失效有55%是由于溫度超過了規(guī)定值而引起的,并且電子設(shè)備內(nèi)的元器件在很高的溫度下工作時,其失效率按指數(shù)關(guān)系增長?而對于通信產(chǎn)品來說,整機(jī)散熱設(shè)計是產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性設(shè)計中至關(guān)重要的一環(huán),尤其是以基站?交換機(jī)等為代表的通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備,優(yōu)異可靠的熱設(shè)計可為通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行提供有力保障?

電子產(chǎn)品散熱設(shè)計一般是指通過對產(chǎn)品各組成部分的熱分析,確定所需的熱控措施,以調(diào)節(jié)其電子器件等組成的溫度,使其本身及其所處的工作環(huán)境的溫度不超過標(biāo)準(zhǔn)和要求所規(guī)定的溫度范圍?隨著通信行業(yè)的發(fā)展及產(chǎn)品迭代速度加快,通信設(shè)備的熱設(shè)計已不再滿足于控制相關(guān)溫度在特定范圍內(nèi)?面對行業(yè)和產(chǎn)品力的競爭?設(shè)備市場需求量的上漲(例如5G通信基站等設(shè)備數(shù)量的需求),通信產(chǎn)品最好的熱設(shè)計一定是在滿足要求的溫度范圍內(nèi)尋求相對最優(yōu)解,這個最優(yōu)解可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)力最具競爭力?企業(yè)利潤最大化?在尋求最優(yōu)解這個過程中,如何以最短周期?最小成本地實(shí)現(xiàn)就需要解決手段的選擇?本文將針對某型車載衛(wèi)星通信產(chǎn)品進(jìn)行整機(jī)散熱方案設(shè)計,并利用有限元熱仿真軟件6SgimaET對散熱方案進(jìn)行優(yōu)化和改善,尋求整機(jī)熱設(shè)計相對最優(yōu)解?

1設(shè)備介紹和散熱方案

1.1設(shè)備介紹

某型車載衛(wèi)星通信產(chǎn)品,主要使用場景是安裝在車輛上,通過與衛(wèi)星收發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信?

設(shè)備的幾何尺寸為700mm×400mm×90mm,工作溫度范圍為-40~55℃,主要發(fā)熱模塊有:發(fā)射模塊(熱耗功率170w),接收模塊(熱耗功率80W),射頻處理模塊(熱耗功率8w),電源及控制模塊(熱耗功率43w),整個設(shè)備需排除的熱功耗大約300W,由底座散熱器幾何參數(shù)可算出表面熱流密度大約0.029W/cm2?設(shè)備內(nèi)主要功率芯片的工作殼溫Tc≤115℃,因設(shè)備安裝在車頂,使用過程中有人手接觸設(shè)備外殼的可能,為避免意外燙傷,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),設(shè)計目標(biāo)限定人體可接觸的設(shè)備部位最高溫度不能超過75℃?

1.2散熱方案

設(shè)備頂部天線罩為透波材料,內(nèi)部模塊固定于設(shè)備底座(鋁合金)上,散熱途徑為內(nèi)部發(fā)熱模塊通過可靠熱接觸將熱量傳遞至設(shè)備底座,再與外部空氣完成熱交換散熱?

在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)環(huán)節(jié)中,最佳散熱方案的選擇需要考慮到設(shè)備的使用環(huán)境?可靠性?成本等因素?本案例涉及到的設(shè)備為車載型設(shè)備,在車輛快速行駛過程中可借助車輛行駛反方向的氣體流參與強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱;在車輛靜止停泊無風(fēng)狀態(tài)下,根據(jù)前面算出的底座散熱器的表面熱流密度(0.029W/cm2),該狀態(tài)下自然對流風(fēng)冷散熱已無法滿足要求,需加入風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱?綜合考慮車輛行進(jìn)和停泊兩種狀態(tài),設(shè)計散熱風(fēng)道如圖1所示,風(fēng)道分為靠風(fēng)機(jī)提供的主動散熱風(fēng)道和靠車輛行進(jìn)氣流形成的被動散熱風(fēng)道,風(fēng)機(jī)根據(jù)設(shè)備內(nèi)部溫度狀態(tài)智能溫控啟動和調(diào)速?散熱設(shè)計一般是按設(shè)備最大工況和最大工作環(huán)境影響復(fù)合進(jìn)行考慮的,本次的散熱設(shè)計及優(yōu)化驗(yàn)證是按車輛靜止?fàn)顟B(tài)時進(jìn)行的?

2熱仿真驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計

2.1 6SigmaET簡介及仿真環(huán)境搭建

仿真軟件選用6SigmaET,它是由英國FutureFacilities公司開發(fā)的新一代熱分析軟件,具備系統(tǒng)?設(shè)備?板?器件等級別的散熱設(shè)計解決能力?6SigmaET具備快速建立模型功能?查錯功能?智能化網(wǎng)格生成功能?自動簡化模型等功能?

為提高仿真計算效率和準(zhǔn)確性,在仿真模型處理上需要將模型簡化處理,對不影響傳熱和散熱的無關(guān)部件進(jìn)行刪除和簡化?將簡化后的模型導(dǎo)入仿真軟件后,完成仿真環(huán)境的建模,包括測試空間設(shè)置?熱源定義?材料屬性定義?風(fēng)道設(shè)置等?完成建模后,設(shè)置求解器參數(shù):環(huán)境溫度為25℃,湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-e模型,風(fēng)機(jī)設(shè)為Fixedflflow模式,單個風(fēng)機(jī)流速設(shè)置為0.01m3/s(21.2CFM)?

2.2仿真計算及結(jié)果分析

在仿真軟件中完成仿真環(huán)境的搭建后,完成網(wǎng)格劃分和模型檢查后即可提交給計算機(jī)進(jìn)行求解?為節(jié)省求解時間,網(wǎng)格的目標(biāo)數(shù)量也要做好合理設(shè)置,同時較好的計算機(jī)硬件配置和設(shè)置多核并行計算都可以提高求解效率?如圖2所示,當(dāng)CFD迭代求解的殘差值區(qū)域穩(wěn)定時,整個熱仿真結(jié)果也已趨于穩(wěn)態(tài)和收斂,此時可手動結(jié)束求解運(yùn)算?

求解完成后進(jìn)行結(jié)果查看,提取模型整個表面溫度結(jié)果如圖3所示?從溫度云圖中可以看出:

(1) 設(shè)備發(fā)射模塊位置處溫度最高,為41.1℃(環(huán)境溫度25℃),溫升16.1℃;

(2) 設(shè)備外殼最高溫度位于發(fā)射模塊底部風(fēng)機(jī)擋板處,溫度為38℃;

(3) 從整個模型表面溫度分布可以看出,溫度最高位置和其周圍區(qū)域溫度梯度大,底座四周溫度不均勻度高,底座后部散熱利用率低?

2.3散熱優(yōu)化設(shè)計及驗(yàn)證

通過以上仿真結(jié)果可以看出,雖然散熱結(jié)果可以保證功率器件安全工作?設(shè)備外殼最大溫升低于要求的20℃,但從溫度云圖上看仍然有優(yōu)化空間?從提升散熱效率考慮,可在改善底座散熱器的整體熱阻和與周圍環(huán)境的換熱效率方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,主要措施為:

(1) 增加發(fā)射模塊底部凸臺殼體的局部厚度,增大凸臺與底座之間的倒角過度;

(2) 在底座鑲嵌熱管,將發(fā)射模塊凸臺周圍的熱量向底座兩側(cè)和后部引導(dǎo);

(3) 適當(dāng)加密發(fā)射模塊對應(yīng)的底座外部散熱尺的密度和接觸面積?

經(jīng)過以上改進(jìn),重新修改仿真模型,并再次提交仿真計算,其仿真結(jié)果如圖4所示,從表面溫度云圖中可以看出,發(fā)射模塊位置處溫度最高,為39℃(環(huán)境溫度25℃),溫升14℃,發(fā)射模塊最高溫升降低2.1℃,并且底座均溫情況有不小改善?

不過從發(fā)射模塊對應(yīng)的底座局部溫度來看,熱量仍較集中,在底座結(jié)構(gòu)空間尺寸和成本約束的情況下,也可通過增加局部位置的用于熱交換的外部空氣流量來進(jìn)一步提升散熱效果?這里在上一步優(yōu)化底座散熱設(shè)計的基礎(chǔ)上,將發(fā)射模塊下方的兩個風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量由0.01m3/s(21.2CFM)提高到0.015m3/s(31.8CFM),并提交計算仿真,最終仿真結(jié)果如圖5所示,發(fā)射模塊位置處溫度最高,為37.4℃(環(huán)境溫度25℃),溫升12.4℃,發(fā)射模塊最高溫升和上一步相比降低1.6℃,和最初設(shè)計相比降低3.7℃?

3結(jié)論

(1) 通過優(yōu)化設(shè)備整體散熱方案,可顯著改善設(shè)備整體散熱情況;

(2) 在產(chǎn)品散熱設(shè)計過程中,CFD仿真軟件6SigmaET可以方便快速地模擬設(shè)備內(nèi)部溫度場和散熱情況,驗(yàn)證設(shè)計方案的正確性,并能及時發(fā)現(xiàn)方案中存在的問題,以便設(shè)計師快速調(diào)整設(shè)計方案和閉環(huán);

(3)對于產(chǎn)品競爭力和企業(yè)利潤最大化來說,產(chǎn)品的熱設(shè)計是一個尋求相對最優(yōu)解的過程,借助仿真技術(shù)可降低設(shè)計成本和重復(fù)性,使產(chǎn)品能夠高質(zhì)量?高性能?短周期地進(jìn)入市場?

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