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某电子设备强迫空气冷却设计及风道优化

陈刚

（成都市茶店子429信箱，四川 成都 610036）

摘  要：本文针对强迫空气冷却设计影响因素多的特点，介绍了一种强迫空气冷却设计方法。通过某电子设备设计实例，说明本设计方法的可行性。并通过仿真软件验证了设计的合理性。最后通过优化设备内风道设计，降低了元器件的工作温度，提高了元器件的可靠性。

关键词：电子设备；风冷；风道优化

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前 言

电子设备可靠性要求很高。如果电子设备长期工作在严苛的环境条件下，设备的使用寿命会极速下降。恶劣的热环境是严酷工作环境中的一种。热设计不合理会导致电子元器件工作环境恶劣，致使电子元器件失效，进而导致整套电子设备失效[1]。

有研究数据表明，电子元器件的使用温度每升高10℃，其可靠性降低60%[2]。因此，良好的热环境是电子设备工作可靠性和长寿命的重要保证。

由于元器件的工作温度会影响元器件的使用寿命，且高温工作环境会使元器件失效概率增大，对元器件的可靠性造成不良影响。因此，电子设备的热设计是电子设备结构设计中的关键技术之一[3]。

强迫空气冷却是电子设备热设计中的一种。强迫空气冷却有很多优点：工作可靠性高、维修保养方便、散热成本低等。因此，强迫空气冷却在电子设备热设计中应用广泛。

强迫空气冷却设计涉及的参数较多，计算复杂。风机、器件、散热器、风道等之间会产生相互影响。致使设计人员难以根据单一的条件确定风机型号、散热器结构和风道形式。如何在复杂的影响关系中进行散热设计，让元器件工作在其允许的温度范围内，并尽可能降低元器件工作温度，是强迫空气冷却设计的难点。

本文是在长期强迫空气冷却设计经验的基础上，总结出强迫空气冷却设计方法。借助此方法可以快速、便捷得进行热设计，使元器件能正常工作。并通过软件仿真，确定风场状态。进而优化风场，加快散热速度，降低元器件的工作温度，最终达到提高元器件的可靠性和寿命的目的。

1  某电子设备热设计

设计步骤如下：一、根据电子设备结构形式初步估计设备各区域风压大小；二、根据元器件的热耗，初步布置散热元器件的位置（热耗高的布置于空气流速快的位置）；三、通过热平衡方程，计算散热所需的风量，初步选定风机；四、根据所选风机和器件布置情况，通过仿真软件确定风场情况、散热元器件温度、风机工作点；五、根据散热元器件温度、空气速度矢量等仿真结果，优化散热设计，降低器件工作温度。

如果经过以上设计步骤，元器件的工作温度超过其允许工作温度范围，则需要调整风机选型、散热器结构、风道。最终使元器件能在允许的环境温度内工作。

1.1热负荷

某电子设备发热器件有：模块1、模块2、器件1、器件2、器件3，设备内器件热耗分布如表1　所示。从表中可以看出：散热量主要集中在模块1和模块2上，且模块1和模块2允许工作温度较高，器件1、器件2、器件3允许工作温度较低。

表1　 各部件热耗

结构设计过程中，需考虑器件散热量、热阻、器件体积、质量等因素，进而合理布置元器件。为避免器件间相互影响，将模块1、模块2和器件1、器件2、器件3分开布局。由于某电子设备内模块1和模块2散热量较大，为加强模块1、模块2的散热，设计时将风机偏向于模块1和模块2布置。且在模块上增加散热器。考虑到重心尽量靠近设备几何中心，其余器件布置在设备另一侧。

1.2散热方式确定

某电子设备在车载方舱内使用。舱内环境最高温度为55℃（即为某设备进风口温度）。据经验，空气流经发热模块后，可假定出风口处的空气温度升到70℃，则算出空气温升△T=70-55=15℃。某电子设备内元器件总热耗为330W。虽然机箱尺寸较大：400mm×400mm×260mm，但机箱无器件安装点，各器件安装于底座上。底座和机箱间接触面积较小，因此主要靠底座的散热。底座尺寸：390mm×350mm×25mm。根据表面热流密度公式：φ=Φ/A（式中：φ为热流密度，W/cm2；Φ为电子设备发热量，W；A散热面积，cm2），数据带入公式可算出φ=0.1W/cm2。

电子设备可靠性热设计手册中给出了热流密度——温升图，如图1　所示[4]。从图可看出，当温升为15℃，热流密度为0.1W/cm2时，优先选择强迫空气冷却的散热方式。

图1　 热流密度——温升图

1.3散热器件布置及热设计

根据设计经验可知：进风口附近空气温度低、出风口附近风压大。考虑到模块1和模块2散热量较大，设计时将风机和进风口偏向于模块1和模块2布置。通过散热器可以提高散热效率，在模块1、模块2上增加散热器。布局情况如图2　所示。

图2　 某电子设备初步设计图

1.4风机选型

某电子设备热环境条件要求为：设备在55℃的环境温度下能正常工作。通过表1　可得，设备总热耗为330W，环境温度（即为设备进风口空气温度）为55℃，假定空气流经发热模块后，出风口处的空气温度为70℃，可算出空气温升△T=70-55=15℃。由此可计算出空气定性温度为T=0.5×(55+70)=62.5℃。在62.5℃温度下，空气参数：比容热Cp=1006J/kg•℃，密度ρ=1.06kg/m3。

假定风机选型、散热器设计合理，则流动空气可将器件产生的热量带走。通过热平衡方程[1]：

式中：Q0为冷却空气流量，m3/s；Φ为电子设备发热量，W；ρ为空气的密度，kg/m3；Cp为空气的比热，J/（kg•℃）；t0为电子设备出风口空气温度，℃；ti为进风口空气温度，℃。

将发热量Φ=330W，空气密度度ρ=1.06kg/m3，空气的比热Cp=1006J/（kg•℃），出风口温度to=70℃，进风口温度ti=55℃，带入上述方程中，可得某电子设备散热需求的风量Q0=74m3/h。

由于空气通过设备内部的过程中会有风量的泄露，经设计经验，需将Q0值乘以一个可靠性系数（系数取1.4）才能满足电子设备热设计要求。由此，可算出风机工作时供风量应不小于Q1=74×1.4=104m3/h。

需要注意的是：由于空气流过某设备时会有风阻，因此风机工作时产生的风量一定会小于风机标识的最大风量。另一方面，由于热耗不均匀分布，要选风量大点的风机。根据结构设计相关要求，选择1个型号为4314的轴流风机。此风机在风阻为0时的供风量为170m3/h。

2  热仿真

2.1仿真

通过上述步骤，确定了元器件布局、散热器位置和风机选型。将设计的某电子设备设计模型导入FLOEFD软件进行热仿真。在软件中输入风机曲线、器件的热耗、材料、进风口温度等参数，通过反复迭代，得出仿真结果。得出强迫空气冷却条件下，某电子设备内空气流动迹线如图3　所示。

图3　 电子设备内流场曲线

模块1、模块2、器件1、器件2、器件3热分布如图4　所示。从器件温度仿真云图可以看出：模块1最高壳温为115℃（最高允许工作壳温125℃）；模块2高壳温为109℃（最高允许工作壳温120℃）；器件1高壳温为72℃（最高允许工作壳温100℃）；器件2高壳温为78℃（最高允许工作壳温95℃）；器件3高壳温为76℃（最高允许工作壳温95℃）。由仿真可知：模块工作在允许的温度范围内。因此，以上热设计措施有效，风机可将元器件产生的热量通过空气带走，文章描述的设计步骤可行。

值得注意的是：模块1、模块2工作温度较高（距允许的最高工作温度较近），模块使用可靠性不高。可进一步进行散热优化设计。

图4　 器件工作温度云图

2.2风机工作点

通过仿真可得某电子设备流阻曲线。将流阻曲线和风机工作曲线放在一起，两曲线的交点即为风机工作点，如图5　所示。从图中可以看出，实际工作时，某电子设备的流阻为12Pa，风机供风风量Qf2=120m3/min。Qf2为实际工作时流经设备空气流量。

图5　 风机工作点

3  风道优化

3.1优化措施

由某电子设备内器件热分布表（如表1　所示）可知：模块1、模块2热耗占绝大部分，器件1、器件2、器件3热耗较少。从设备内空气流动曲线（如图3　所示）可知：设备内流经模块1、模块2、器件1、器件2、器件3的气流量较少，大部分空气从模块外流走。由热仿真结果（如图4　所示）可看出：模块1、模块2工作温度较高，器件1、器件2、器件3工作温度较低。

因此，优化措施主要考虑增加流经模块1和模块2的空气流量。为此，需规范空气的流动路径，以增加流经模块1、模块2的空气流量。通过优化风道可达到增加模块上空气流量的目的。某电子设备风道优化后的布局如图6　所示。

图6　 优化后设备布局图

3.2仿真

将优化后的某电子设备模型导入FLOEFD软件进行仿真。此次输入的仿真参数和模型优化前输入的仿真参数完全相同。通过反复迭代，得出强迫空气冷却条件下仿真结果。设备内空气流动迹线如图7　所示。对比图7　和图3　可知：流经模块1和模块2的空气流量大幅度增加。

图7　 流场曲线

模块1、模块2、器件1、器件2、器件3热分布如图10　所示。从器件温度云图可以看出：模块1最高壳温为98℃；模块2高壳温为93℃；器件1、器件2、器件3高壳温都在允许范围内。由此可得，优化后模块壳温大幅度降低。

因此，风道优化设计对降低器件工作温度效果明显。

图8　 优化后仿真结果

4  结语

电子设备强迫空气冷却应用范围广，影响因素多。本文通过总结以往设计经验，给出了一种强迫空气冷却设计方法。通过某电子设备的热设计实例，验证了本设计方法的可行性。通过软件仿真，确认了设计的合理性。仿真表明本设备采用的散热措施的有效性。此设备已通过环境试验，并在装备上使用，证明了此设计的有效性。

本文根据某电子设备热分布特点，优化了散热风道，提高了热耗高的模块通风量，进一步降低了元器件的工作温度，从而提高了电子设备的可靠性。本文可为电子设备强迫风冷设计提供参考。

参 考 文 献

[1]潘哲.浅析电子设备热设计[J].海军装备，2017.

[2]齐永强，何雅玲，张伟，等.电子设备热设计的初步研究[J].现代电子技术，2003（1）：73-76.

[3]毛勤俭，姬永清，吉芸.电子设备方舱热学分析[J].电于机械工程，2014(6)：24-26.

[4]GJB-Z 27-1992，电子设备可靠性热设计手册[S].

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陈刚（1988-），男，工程师，主要从事结构设计工作。

E-mail: chgang88@126.com.

联系电话：18702822357

通信地址：四川省成都市郫都区百草路1181号

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