結(jié)合某型車載衛(wèi)星通信產(chǎn)品的整機散熱設(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和提升措施,并對措施進行閉環(huán)仿真驗證,結(jié)果顯示改進措施正確有效?

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)境的溫度不超過標準和要求所規(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)解可實現(xiàn)產(chǎn)品實力最具競爭力?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)品進行整機散熱方案設(shè)計,并利用有限元熱仿真軟件6SgimaET對散熱方案進行優(yōu)化和改善,尋求整機熱設(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,設(shè)計目標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迫風冷散熱;在車輛靜止停泊無風狀態(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)下自然對流風冷散熱已無法滿足要求,需加入風機強迫風冷散熱?綜合考慮車輛行進和停泊兩種狀態(tài),設(shè)計散熱風道如圖1所示,風道分為靠風機提供的主動散熱風道和靠車輛行進氣流形成的被動散熱風道,風機根據(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)境影響復合進行考慮的,本次的散熱設(shè)計及優(yōu)化驗證是按車輛靜止狀態(tài)時進行的?

2熱仿真驗證及優(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)部件進行刪除和簡化?將簡化后的模型導入仿真軟件后,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℃,湍流模型為標準k-e模型,風機設(shè)為Fixedflflow模式,單個風機流速設(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進行求解?為節(jié)省求解時間,網(wǎng)格的目標數(shù)量也要做好合理設(shè)置,同時較好的計算機硬件配置和設(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)束求解運算?

求解完成后進行結(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)射模塊底部風機擋板處,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;

(3) 適當加密發(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,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機的進風量由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)計成本和重復性,使產(chǎn)品能夠高質(zhì)量?高性能?短周期地進入市場?

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