论文部分内容阅读
[摘 要]插板式密封机箱可有效提高电子设备的可靠性，提高设备的集成度和通用性。其直接的不良后果是耗散热量在增加，散热效率在降低。针对大功率散热的插板式密封机箱，通过特殊的导热设计，选用低热阻导热脂等方法进行热设计。并使用热仿真软件进行分析和优化设计。最后通过高温环境实验对热设计进行验证，对于大功率插板式密封机箱的热设计具有一定的借鉴意义。
[关键词]密封机箱 插板 大功率散热
中图分类号：U469.4.02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0039-01
1 引言：
随着电子工业的进步和使用环境对电子设备的需求变化，电子设备在向着密封和插板式模块化方向发展，这种变化带来最直接的后果是散热问题，尤其是那些内部具有大功率射频模块的插板式密封电子设备，散热设计成为关键问题，它无法像大功率非密封机箱那样，通过散热器、风道和风机等进行散热设计；也无法像小功率分散热源密封机箱那样，通过对流、辐射传导热量。
本文结合工程实际，对此类问题通过仔细的分析和详细设计，并使用热仿真软件进行分析和优化，得到满意结果。
2 插板式设备热设计
2.1 设备工作环境及热控要求
电子设备可稳定工作在温度为-25～55℃室外环境中，因电子设备在野外工作，必须具有防淋雨功能，因此设计成密封机箱；野外工作的电子设备，受沙尘等环境影响，电子设备外部风机的寿命和可靠性会大大降低，因此采用无风机设计。为提高电子设备的可靠性，减少设备故障查询和维修时间，设备采用母板和功能卡插卡模块化结构形式，设备由射频模块板卡、3块功能卡、1块电源卡和母卡组成，其中射频模块板卡，耗散热量50W，射频模块允许最高温度85℃，电源耗散热量20W，允许最高温度85℃，另外三块功能卡耗散热量不大于2W，且不集中于某一点。
2.2 插板模块导热设计
根据以上分析，该电子设备热设计的重点是射频模块和电源模块散热，如果按照一般密闭机箱设备热量通过与基座的热传导（基座接触面积小，接触热阻大）、与周围空气的热对流和向空间的辐射[1]来散热，远远无法满足该电子设备的散热需求，因此需要对集中散热的大功率射频模块和电源模块进行传导散热设计。
设计中将射频模块插板和电源模块插板布置在密封设备机箱的左右两侧，机箱两侧面加工成翅片式散热器，其他功能板居中布置如示意图1。
电源模块板卡设计成如图2所示，因电源模块板卡与母板之间插针较粗，能够承受锁紧装置压紧带来变形，电源模块板卡两侧设有导轨，以导轨为依托，对电源模块板卡进行刚性和强度加强设计，以减小安装过程中锁紧装置压紧时造成的板卡变形，根据加工精度以及电源模块与密封机箱侧板间导热衬垫厚度，合理设计电源模块与密封机箱侧板之间间隙，本设计中电源模块与密封机箱侧板间涂导热脂，因此电源模块与密封机箱侧板间隙不大于0.8mm。通过锁紧装置压紧带来的位移，可将电源模块紧紧地压在密封机箱的侧板上，这样密封机箱右侧板可等效为电源模块的散热器。
射频模块板卡设计成如图3所示，因射频模块板卡与母板之间插针较细，为保证插针不变形，为射频模块设计专用导热块，导热块与射频模块板卡导轨联为一体，以增强射频模块板卡刚性和强度，导热块与密封机箱侧板之间通过楔形面连接，射频模块板卡向下锁紧的同时使射频模块导热块楔形面与密封机箱侧板楔形面压紧，密封机箱侧板可等效为射频模块的散热器。导热块与密封机箱侧板连接的楔形面设计成与竖直方向成60°角，通过接触面受力分析可知，射频模块导热块楔形面与密封机箱侧板楔形面之间的压力仅为射频模块板卡固定螺钉压紧力的二分之一，为保证射频模块导热块楔形面与密封机箱侧板楔形面之间的压力达到20MPa[2]，须合理选用射频模块板卡固定螺钉，通过计算选用两颗M5螺钉可满足要求。
3 热仿真与优化
设备结构模型设计完成后，用ICEPAK软件进行热设计分析，ICEPAK建模条件如下：1.设备机箱为密封腔体，材质为铝合金，外形尺寸280mm（宽）X300mm（深）X160mm（高）；2.射频模块板卡上射频模块通过左侧板传导散热，电源模块通过右侧板传导散热，左右侧板厚度16mm，加工成散热翅片；3.其他功能板卡通过热对流和向空间的辐射来散热；4.所有接触传导的接触面涂低热阻导热脂。
通过ICEPAK建模仿真，并使用软件自带优化功能，重点对以下参数进行优化：1）射频模块导热块（机箱侧板楔形块）的面积和厚度；2）机箱两侧面翅片厚度；3）机箱两侧面翅片高度。目标是在满足设备内模块最高温度不超过85℃时，选用最简单可靠方案。经优化后环境温度+55℃温度分布云图见图4，机箱内热源温度最低点是电源模块，机箱内热源温度最高点是射频模块，最高温度点为80.5℃，设备热设计合理，满足热控要求。
4 试验验证
设备按照以上热设计进行结构设计、加工，组装调试完成后，进行高低温试验，当环境温度+55℃，射频模块温度82.3℃，电源模块温度71.4℃。实验结果与热仿真分析数据相近，实验证实插板式大功率密封机箱热设计合理，热传导装置有效。
5 结束语
对于耗散热量大的插板式密封机箱，要优先考虑传导散热，通过特殊结构设计将热源直接传到设备机壳或机壳外面的散热器，并增加与热源接触传导体的体积以增加热容，改善散热效果。必要时可通过热管设计，提高散热效率。
参考文献
[1] 王建石，朱东霞.电子设备热设计速查手册[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.
[关键词]密封机箱 插板 大功率散热
中图分类号：U469.4.02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0039-01
1 引言：
随着电子工业的进步和使用环境对电子设备的需求变化，电子设备在向着密封和插板式模块化方向发展，这种变化带来最直接的后果是散热问题，尤其是那些内部具有大功率射频模块的插板式密封电子设备，散热设计成为关键问题，它无法像大功率非密封机箱那样，通过散热器、风道和风机等进行散热设计；也无法像小功率分散热源密封机箱那样，通过对流、辐射传导热量。
本文结合工程实际，对此类问题通过仔细的分析和详细设计，并使用热仿真软件进行分析和优化，得到满意结果。
2 插板式设备热设计
2.1 设备工作环境及热控要求
电子设备可稳定工作在温度为-25～55℃室外环境中，因电子设备在野外工作，必须具有防淋雨功能，因此设计成密封机箱；野外工作的电子设备，受沙尘等环境影响，电子设备外部风机的寿命和可靠性会大大降低，因此采用无风机设计。为提高电子设备的可靠性，减少设备故障查询和维修时间，设备采用母板和功能卡插卡模块化结构形式，设备由射频模块板卡、3块功能卡、1块电源卡和母卡组成，其中射频模块板卡，耗散热量50W，射频模块允许最高温度85℃，电源耗散热量20W，允许最高温度85℃，另外三块功能卡耗散热量不大于2W，且不集中于某一点。
2.2 插板模块导热设计
根据以上分析，该电子设备热设计的重点是射频模块和电源模块散热，如果按照一般密闭机箱设备热量通过与基座的热传导（基座接触面积小，接触热阻大）、与周围空气的热对流和向空间的辐射[1]来散热，远远无法满足该电子设备的散热需求，因此需要对集中散热的大功率射频模块和电源模块进行传导散热设计。
设计中将射频模块插板和电源模块插板布置在密封设备机箱的左右两侧，机箱两侧面加工成翅片式散热器，其他功能板居中布置如示意图1。
电源模块板卡设计成如图2所示，因电源模块板卡与母板之间插针较粗，能够承受锁紧装置压紧带来变形，电源模块板卡两侧设有导轨，以导轨为依托，对电源模块板卡进行刚性和强度加强设计，以减小安装过程中锁紧装置压紧时造成的板卡变形，根据加工精度以及电源模块与密封机箱侧板间导热衬垫厚度，合理设计电源模块与密封机箱侧板之间间隙，本设计中电源模块与密封机箱侧板间涂导热脂，因此电源模块与密封机箱侧板间隙不大于0.8mm。通过锁紧装置压紧带来的位移，可将电源模块紧紧地压在密封机箱的侧板上，这样密封机箱右侧板可等效为电源模块的散热器。
射频模块板卡设计成如图3所示，因射频模块板卡与母板之间插针较细，为保证插针不变形，为射频模块设计专用导热块，导热块与射频模块板卡导轨联为一体，以增强射频模块板卡刚性和强度，导热块与密封机箱侧板之间通过楔形面连接，射频模块板卡向下锁紧的同时使射频模块导热块楔形面与密封机箱侧板楔形面压紧，密封机箱侧板可等效为射频模块的散热器。导热块与密封机箱侧板连接的楔形面设计成与竖直方向成60°角，通过接触面受力分析可知，射频模块导热块楔形面与密封机箱侧板楔形面之间的压力仅为射频模块板卡固定螺钉压紧力的二分之一，为保证射频模块导热块楔形面与密封机箱侧板楔形面之间的压力达到20MPa[2]，须合理选用射频模块板卡固定螺钉，通过计算选用两颗M5螺钉可满足要求。
3 热仿真与优化
设备结构模型设计完成后，用ICEPAK软件进行热设计分析，ICEPAK建模条件如下：1.设备机箱为密封腔体，材质为铝合金，外形尺寸280mm（宽）X300mm（深）X160mm（高）；2.射频模块板卡上射频模块通过左侧板传导散热，电源模块通过右侧板传导散热，左右侧板厚度16mm，加工成散热翅片；3.其他功能板卡通过热对流和向空间的辐射来散热；4.所有接触传导的接触面涂低热阻导热脂。
通过ICEPAK建模仿真，并使用软件自带优化功能，重点对以下参数进行优化：1）射频模块导热块（机箱侧板楔形块）的面积和厚度；2）机箱两侧面翅片厚度；3）机箱两侧面翅片高度。目标是在满足设备内模块最高温度不超过85℃时，选用最简单可靠方案。经优化后环境温度+55℃温度分布云图见图4，机箱内热源温度最低点是电源模块，机箱内热源温度最高点是射频模块，最高温度点为80.5℃，设备热设计合理，满足热控要求。
4 试验验证
设备按照以上热设计进行结构设计、加工，组装调试完成后，进行高低温试验，当环境温度+55℃，射频模块温度82.3℃，电源模块温度71.4℃。实验结果与热仿真分析数据相近，实验证实插板式大功率密封机箱热设计合理，热传导装置有效。
5 结束语
对于耗散热量大的插板式密封机箱，要优先考虑传导散热，通过特殊结构设计将热源直接传到设备机壳或机壳外面的散热器，并增加与热源接触传导体的体积以增加热容，改善散热效果。必要时可通过热管设计，提高散热效率。
参考文献
[1] 王建石，朱东霞.电子设备热设计速查手册[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.