一种封闭机箱的散热结构分析

引言

通信、电力系统设备很多采用19英寸标准机箱,内部模块采用插件型式,方便生产调试及维护。随着电子技术的发展,电子设备集成度越来越高,电子设备单位体积的功耗不断增大,导致电子设备的温度迅速上升。为解决设备发热问题,机箱上、下盖板开孔,利用空气对流带走设备内部热量,保证设备内部元件可靠运行,这是最常用的解决发热问题方法。但机箱开孔也带来了一些其他问题,如内部元器件灰尘集聚、机箱电磁屏蔽效能降低等。

1设备散热方式

温度与元器件失效率之间是指数规律,随温度升高,失效率迅速增加。单个半导体元件的温度升高10℃,设备的可靠性降低50%。另据统计,电子设备的运行故障55%以上是由温度超过规定值引起的。电子设备热设计是设备可靠性设计的一项重要技术。

基于热量传递的三种方式一传导、对流、辐射,设备常用散热方式有自然对流散热、强制对流散热、液冷散热等。其中设备开通风孔,发热元件的热量可以直接通过空气流动传递至设备外部,散热效率高、散热系统成本低。由于电子元件接触外部空气,水汽、灰尘、霉菌等对元件造成伤害的风险增大,因此采用开孔结构的装置对运行环境要求高。设备采用全封闭结构,发热元件产生的热量需采用传导方式(或增加流体冷却系统)传递到设备外壳或外部散热附件,再通过装置外部空气流动将热量传递出去。这种全封闭设备散热路径长、散热效率低、散热系统成本高。全封闭结构提供了相对优质的内部环境,广泛应用于低功率、长寿命、高可靠性要求的工业设备。

设备散热方式选择主要是由设备内部发热元件热耗散功率以及元件长期稳定运行温度决定的,可以通过热设计辅助软件(ICPEAK或FLoTHERM等)对设备进行建模、计算及设计优化。

2散热模块结构

针对全封闭机箱,本文将介绍一种将散热组件集成在模块上的设计方法。图1所示为PCB板安装结构示意图。设计散热翅片、导热基板一体化的插件面板型材,在型材面板上固定PCB1和PCB2。PCB1上布置发热元件,发热元件通过导热膜紧贴于型材面板。PCB2上布置风扇连接器、控制电路以及其他设备功能电路。PCB1和PCB2之间采用板间连接器实现电路互联。

图1 PCB板安装结构示意图

图2所示为散热组件热量传递示意图,图示箭头方向,展示了发热元件热量传递的路径:发热元件二导热板二插件外面板上散热翅片二外部空气。具体实现方法:用导热膜将插件上的发热元件贴紧导热板,将发热元件热量传递给导热板:导热板上嵌入若干热管,热管在嵌入方向上有很强的导热能力,将发热元件产生热量大部分快速传递至插件外面板:在插件外面板的翅片内嵌入风扇,用强制风冷方式,将插件外面板上的热量散发到外部空气中。

图2 散热组件热量传递示意图

图3所示为风扇控制原理框图。风扇控制接口与风扇驱动模块采用数字接口连接,根据环境温度的实际情况,设定相应的风扇驱动电源电压,从而达到需要的风扇转速。同时,风扇驱动模块的电压和电流值也可通过数字接口传送给风扇控制接口。该方法实现了风扇的闭环控制、灵活调节,延长了风扇的使用寿命。

3散热模块翅片效果对比测试

为了验证散热模块翅片的效果,制定以下对比测试:在恒温40℃的情况下,散热模块拆掉散热风扇,在散热模块上选取6个测温点,分别对带翅片散热模块和不带翅片散热模块进行测温。测量数据如表1、表2所示。

如图4所示,散热模块带翅片的散热效果明显优于不带散热翅片的散热效果,其中发热元件位置温差在5℃左右(3、4号传感器)。说明热管将发热元件的热量有效传递到了散热元件外表面,增加外部翅片可以明显降低发热元件表面温度。

4结语

由于模块尺寸有限,插件面板上翅片、风扇尺寸都受到很大限制,这种全封闭机箱散热方法适合小功率设备。电力系统设备对产品的寿命和可靠性要求高,机箱多采用全封闭结构形式。本文所述在模块上附加散热组件的设计方法已经有工程应用,目前工程应用中发热元件耗散功率小,没有配置风扇,有装置在现场已连续运行超过3年。