[摘 要]通过对某密封式电子设备在严酷环境条件下工作时的设计计算，阐述了热设计的一些基本设计思路，并利用Ansys软件对某密封式电子设备的复杂散热器件进行热仿真分析和辅助设计，从而达到提高工作效率，节省设计成本的效果。
　　[关键词]热设计；热仿真分析；辅助设计；提高工作效率；节省设计成本
　　中图分类号：TN02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0248-02
　　1 引言
　　隨着我国军事工业的不断发展，军工电子设备在保证其使用的可靠性、密闭性能的同时，还对设备的小型化和外观等提出了更高的要求。另一方面，设备内部使用的电子元器件及电子设备功率密度也在不断增加。如果在密闭的环境内，各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去，就会造成热量的积聚，从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的温度极限，使得这些电子设备的可靠性大大降低，甚至使设备丧失工作能力。有资料表明，电子设备的失效率有55%是由于温度超过了规定值而引起的。环境温度每增长10℃， 电子设备的失效率增大一倍以上，10 ℃法则给出了电子元器件的失效率随温度增加的变化规律，说明了热设计在电子结构设计中是不可忽视的环节。因此，研究散热方法，改善散热方式，提高冷却效果，对提高电子产品的运行稳定性都具有十分重要的意义。
　　传统的设计方法是简单结构，利用传热学中大量的公式、表格，通过计算来进行分析的，而对于复杂结构就只能根据经验或试验来获得。本文详细介绍了利用ANSYS软件对某军工密封式电子设备的复杂散热器件进行仿真、辅助设计，节省设计成本的过程。
　　2 某密封式电子设备上散热器件的设计思路
　　2.1 某密封式电子设备的参数指标
　　某密封式电子设备中的功能单元板上有两个75W的功放晶体管，设备正常工作时分收发两个时段，发射和接收时间比例大约为1：3，发射时功放功率最大为150W，有效输出功率为50W，接收时功放功率小于70W，有效输出功率约20W。由于该功能模块的发热功率比较大，最大时可以达到100W；且该设备有密封防水性要求，因此要求单元板在设备内部所处的空间是密闭空间。要求在不改变设备外轮廓的前提下分析晶体管直接通过导热硅胶粘在翅片式散热器上通过自然散热时，晶体管和单元板的温度变化能否满足电路板和芯片正常工作的温度要求，并对散热器的尺寸进行优化。
　　该密封式电子设备的工作参数如下：
　　1、正常工作温度范围：-40℃—55℃；
　　2、在60℃高温环境下开机试验，设备可以连续正常工作4小时以上；
　　3、设备在工作温度范围内的温度应该小于内部单元板上电子元器件的结温。一般来讲，晶体管正常工作时的温度应控制在 90℃以下，单元电路板上元器件的温度控制在80℃以下。
　　2.2 某密封式电子设备的结构组成
　　某密封式电子设备的外观如图所示
　　右侧为盒体，左侧有散热凹槽部分即为后盖板，本文讨论的散热器件即为后盖板。
　　打开设备，盒体内部印制板上有两个发热源，功率各为75W，共150W。后盖板根据散热要求，初步设计如图。
　　3 ANSYS辅助设计
　　3.1 根据经验的改进
　　根据经验改进后，后盖板如图：
　　3.2 ANSYS仿真的应用
　　由于该芯片的热分析属于典型的电子设备热设计分析，因此选用了ANSYS 中Workbench里面的专业电子设备机箱级、芯片级、封装级的热分析软件模块ICEPAK来完成本次热分析。
　　导入后盖板模型如图：
　　划分网格如图：
　　对建立完成的后盖板散热模块热分析模型进行网格划分，划分网格后检查网格划分的质量，网格划分后产生87450个单元和94588个节点，面匹配系数几乎全部接近于1，网格划分质量较高。如图所示：
　　计算过程
　　网格划分后，需要进行求解前的参数设置，设置求解的步骤为100步，流体和能量残差为系统默认值，打开solution setting 中的basic settings 窗口，点击reset，得到系统Rayleigh number 为2.23e6，并打开辐射radiation开关，设置重力方向，重力大小都选择为默认值，随后设置环境温度、辐射温度、默认流体等等，最后设置求解时电脑处理器为“并行”运行，加快求解速度，减少求解时间。如图所示：
　　求解
　　进行完求解参数设置后，就可以如图所示进行求解，并打开求解监视器开关，以详细直观地观察求解过程中的步骤和收敛情况。
　　后处理过程
　　求解结束后，可以通过如下图所示的ICEPAK软件后处理模块，查看模型的热分布情况，热流矢量图，切面温度分布等情况。
　　4 后盖板的优化设计
　　为了解后盖板的散热性能对后盖板翅片的参数敏感度，本文针对相同厚度和高度散热翅的个数、相同个数和高度散热翅片的厚度、以及相同厚度和个数的散热翅片的高度等参数对于散热器稳态温度的影响进行了多次热分析。
　　4.1 后盖板翅片个数不同时的热分析
　　后盖板中散热翅片厚6.5mm，高24mm，环境温度60℃时，后盖板翅片个数为19个、23个和27个时后盖板的稳态热分析温度分布如图
　　由此可知，散热翅片个数越多，后盖板稳态热分析下，散热的最高温度越低。
　　4.2 后盖板翅片厚度不同时的热分析
　　后盖板中散热翅片个数为24个，翅片高24mm，环境温度60℃时，翅片厚5mm、6mm和7mm时，后盖板的稳态热分析温度分布如图
　　4.2.3 后盖板翅片厚度为7mm的稳态分析温度分布图
　　由此可知，散热翅片越厚，后盖板稳态热分析下，散热的最高温度越高。
　　4.3 后盖板翅片高度不同时的热分析
　　后盖板中散热翅片个数为23个，翅片厚6.5mm，环境温度60℃时，翅片高20mm、28mm和36mm时散热器的稳态热分析温度分布如图
　　由此可知，散热翅片越高，后盖板稳态热分析下，散热的最高温度越低。
　　5 结果分析
　　从热分析的结果来看，后盖板的散热翅片的个数越多，散热翅片的高度越高，散热翅片的厚度越薄，散热的效果越好。但是，从该密封式电子设备的结构设计、工艺分析和美观程度来看，后盖板散热翅片的个数也不能越多越好，散热翅片的厚度也不是越薄越好，散热翅片的厚度也不能加工地越高越好。在满足后盖板散热的前提下，从实际需要，加工效率和加工成本等多方面考虑，故采用后盖板散热翅片的个数为23个，散热翅片的厚度为5mm，散热翅片的高度为24mm。
　　参考文献
　　[1] 邱成悌，赵C殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2005
　　[2] 付桂翠，高泽溪，方志强，等.电子设备热分析技术研究[J].电子机械工程，2004 （1）：13-16
　　作者简介
　　叶莉静（1981-），女，上海交通大学，硕士，中国电子科技集团公司第五十研究所，工程师。