元器件布局对机箱温度场的影响

朱自清，吴柯锐，郭永生，雷宏东，杨 娇

(1.山西国营大众机械厂军品第一研究所，山西 太原 030024；2.空军驻山西地区军事代表室，山西 太原 030024；3.山西国营大众机械厂军用加固外设研究所，山西 太原 030024)

2017-08-16

朱自清(1989- )，男，硕士研究生，主要从事机械设计及CAE分析。

1674- 4578(2017)05- 0026- 02

元器件布局对机箱温度场的影响

朱自清1，吴柯锐2，郭永生1，雷宏东1，杨 娇3

(1.山西国营大众机械厂军品第一研究所，山西 太原 030024；2.空军驻山西地区军事代表室，山西 太原 030024；3.山西国营大众机械厂军用加固外设研究所，山西 太原 030024)

针对某型电子机箱的故障，利用Solidworks Flow Simulation对其进行了热分析，得到了机箱内部的温度分布，明确了故障原因为器件温度过高。通过对元器件布局的优化，并重新进行热分析，结果表明机箱内部器件的温度分布明显改善，并且该电子机箱内部器件经重新布局后，未出现故障。

热分析；电子机箱；布局优化；Flow Simulation

大量的实践表明，电子元器件的故障率随元件温度的升高呈指数关系而增加，电子设备线路的性能则与温度的变化成反比。因此，为了提高电子设备的工作性能和可靠性，在对电子设备的结构进行设计时，必须对设备和元器件的热特性进行仔细的分析和研究，以便进行合理的热设计。

文章分析的是在工作中用到的一个电子机箱，该机箱在工作中多次出现故障以致停止工作，常温放置一段时间后，重新启动，又可正常工作。初步判断故障原因为工作温度过高，致使内部器件启动热保护。为了寻找故障原因并解决问题，现对该电子机箱进行实体建模及热分析。

1 机箱的热分析

在对机箱进行热分析时，有一些特征是对分析没有影响的，因此要对模型进行简化，对一些特征进行压缩。简化模型中用一个完整的板来代替插座，因为插座对箱体内部热环境的影响很小；同时还对风扇进行了压缩。

热分析模型如图1所示，将进行一次内部分析。内部分析要求箱体无开口，故对风扇安装孔和散热孔创建了封盖。在流体分析模型中，需要指定元器件的材质和热功耗。

图1 分析模型

芯片的材质为金，功耗5 W；电阻的材质为铜，功耗2 W；电容在常温下工作，大电容工作在45 ℃，小电容工作在35 ℃。

然后设置边界条件，并插入风扇，最后运行分析，得到箱体内部的温度分布图。

图2 芯片内部温度切面图

图3 电容和电阻内部温度切面图

图2，图3所示为芯片、电容和电阻的温度切面图。从图中可以看出，芯片内部的温度高达180 ℃，而芯片允许的最高工作温度为125 ℃，所以就解释了前文提到的故障；电阻电容的温度只在60 ℃左右，在正常的工作温度内。因此只有降低芯片的温度才能排除故障。

该电子机箱使用的散热方式为自然风冷和强迫风冷两种方式，因此通过增大元器件和流体(空气)的接触面积或者加快流体的流动速度，对元器件的散热会有一定的帮助。根据以上分析，提出两种优化方案：方案1，元器件布局的优化，如将芯片放置在空气流速较快的地方；方案2，增大元器件和空气的接触面积，如在芯片顶部加装散热器。

为了寻找机箱内部空气流速最大的位置，我们获取了空气流速分布图，如图4所示。

图4 空气流速分布图

从图中可以看出，入口处的流速最大，出口处的流速次之。

2 改进方案的分析

为了得到更优化的布局，降低机箱内部元器件的温度，有必要对改进方案进行热分析。

2.1 优化元器件布局

由于机箱内部器件的温度除了芯片之外均在正常工作范围内，所以布局的优化只针对芯片。从图4可知，入口处的空气流速最大，故将芯片放置到风扇入口处，重新进行热分析。

其他各项参数和边界条件均不变，对算例进行求解并加载结果文件。

图5为芯片内部的温度切面图。从图中可知，芯片的温度最高为114.55 ℃，相比之前的布局，芯片温度有了明显的降低。

图5 芯片的温度切面图

2.2 增大元器件和空气的接触面积

增大元器件和空气的接触面积，主要是增大芯片和空气的接触面积，而芯片的外形结构已经固定，所以通过加装散热器来间接达到增大接触面积的目的。散热器材质为铝，粘合到芯片表面。算例其他各项参数和约束条件均没有发生变化，进行求解并加载结果文件。

图6 芯片和散热器内部温度切面图

从图6可以看出，芯片处于热平衡时的温度大约为120 ℃。

从以上的分析可知，两种方法均能使机箱内部的温度显著降低，从180 ℃降低到120 ℃，满足了芯片最大工作温度的要求，但是芯片的温度距离上限温度很接近。为了继续降低芯片温度，因此考虑两种方法相综合。

重新建模并求解算例，加载结果文件，得到图7。

图7 芯片和散热器内部温度切面图

从图中可知，芯片的温度最高为70 ℃，远低于其最高工作温度，表明方案1和方案2的综合是最优的解决方案。

3 结论

经分析，最终决定将芯片放置在风扇入口处，并在其表面加装散热器。优化后，该电子机箱之前出现的故障消失，能够正常的工作。

结果表明，对机箱内部电子元器件布局的优化，能使箱体内部的温度场明显改善，降低关键器件的温度，最大限度地延长机箱的使用寿命。同时也表明，对大功率器件，安装在风扇入风口处或者在器件表面加装散热器，均会使器件的温度降低。

[1] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理.南京：东南大学出版社，2001.

陈超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation教程.北京：机械工业出版社，2013.

TheInfluenceofComponentLayoutonChassisTemperatureField

Zhu Ziqing1, Wu Kerui2, Guo Yongsheng1, Lei Hongdong1, Yang Jiao3

(1.TheFirstMilitaryResearchInstitute,ShanxiDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China;2.ShanxiRegionMilitaryRepresentativesOfficeofAirForce,TaiyuanShanxi030024,China; 3.TheMilitaryPeripheralReinforcementResearchInstitute,ShanxiDazhongMachineryFactory,TaiyuanShanxi030024,China)

Aiming at the faults of an electronic chassis, the thermal analysis is carried out by using Solidworks Flow Simulation, and gets the temperature distribution of components inside of the chassis. The reason of the fault is that the device temperature is too high. Through the optimization on the layout of components and making thermal analysis again, the results show that the temperature distribution of the internal parts of the chassis is obviously improved. And no fault is found after the layout for the internal components of the electronic chassis.

thermal analysis; electrical chassis; optimization of the layout; flow simulation

TN609；TK311

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