一种高热流密度电子设备结构设计
基于FLOEFD的电子设备机箱的热仿真分析
基于FLOEFD的电子设备机箱的热仿真分析摘要:随着电子设备的集成度逐渐提高，电子产品的热流密度也越来越大，散热问题是目前电子设备结构设计中首要要考虑的问题。
本文以某电子产品机箱为例子，介绍了基于FLOEFD软件对其进行热分析的仿真过程，并且简要介绍了仿真过程中的一些经验应用，对于工程中使用该软件进行机箱热性能分析具有一定的参考意义。
关键词电子设备热分析FLOEFD0、前言电子设备机箱被广泛应用于国防和民用的各个领域。
随着电子技术的飞速发展，机箱的热流密度越来越大，这对机箱的热设计提出更高的要求，机箱内各模块的电子元器件一旦温度过高便无法可靠地工作。
据研究表明，电子设备失效的原因有55％是由温度引起的[1]，过热损坏是电子设备失效的主要形式。
根据阿伦纽斯模型显示，器件温度每升高10℃，其失效率就会增加一倍[2]。
因此在机箱的结构设计阶段就需要考虑机箱的热设计。
目前设计师在产品设计阶段主要运用热仿真软件对产品的热特性进行分析，以规避产品未来可能遇到的散热问题。
目前主流的热仿真软件FLOEFD, Flotherm, ICEPAK在工程热分析中有广泛的应用。
本文以FLOEFD为仿真软件，分析了某电子设备机箱的热仿真过程和结果,验证器件在给定的环境和热负荷条件下是否能正常工作，对于不能正常工作的器件，提出改进措施。
1、机箱的结构布局机箱主要由上板、底板、左右侧板、前后盖板及6个插件组成，如图1 所示。
图1 机箱结构布局机箱的热设计以星体结构热传导为主，通过机箱安装面传导散热，以空间环境热辐射为辅，通过机箱外表面辐射散热。
插件按排列顺序和母板的划分，垂直插入各自的导轨槽内，然后采用锁紧装置锁紧。
插件内的印制板嵌入铝散热盒，尺寸略小于散热盒尺寸。
同时选择热导率高、有利于导热的多层板设计且在大功耗元器件与散热面之间填充了导热填料。
机箱热分布情况如表1 ：表1 机箱热分布情况表2、热仿真模型与仿真方法分机工作的最高环境温度：45℃、真空，热沉温度45℃，在图1中的下底面。
某机载电子设备热设计
某机载电子设备热设计作者：张娅妮胡清来源：《现代电子技术》2013年第03期摘要：为了提高机载电子设备的冷却散热性能，保证设备可靠稳定工作，采用热仿真方法，对某机载电子设备进行了热设计。
根据设备结构特点，提出了多种不同的设计方案，并对其进行了对比分析。
综合考虑设备散热效果及可维修性，确定了最优的设计方案，实现了对某机载电子设备的热设计。
该热设计方案已随电气设计和结构设计一起通过了各项验证试验，使用情况良好，同时，也为同类型机载电子设备热设计提供了较大的参考价值。
关键词：机载；电子设备；热设计；热仿真中图分类号： TN806⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）03⁃0151⁃030 引言随着微电子技术和集成电路的飞速发展，机载电子设备也呈现出高性能、小型化的发展趋势，与此同时，电子设备所处环境更为恶劣，面临的挑战更加严峻，使得其热流密度急剧增大，元器件温度不断升高，产品可靠性逐渐降低。
电子设备的散热问题日益严重，工程师在设计阶段对电子设备的热布局越来越重视，因此，热设计成为电子设备结构设计的一个关键环节[1⁃4]。
热设计的方法主要有试验、类比和仿真。
试验方法能够准确得到设备内部关键元器件的温度分布，但是必须设计、生产实验样机，改进热设计的代价较大；类比方法操作方便、简单易行，但是只有同类型或者相似类型的产品可以比较，新研发的产品没有类比的基础，不可能得出类比结果；热仿真采用数学手段，能够比较真实地模拟设备的热状况，在方案阶段就能发现产品的热缺陷，从而改进设计，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，降低资源消耗，缩短开发周期，提高产品的一次性成功率，为产品设计的合理性及可靠性提供有力保障[5⁃7]。
本文采用热仿真方法，对某机载电子设备进行热设计[8⁃10]。
针对设备结构特点，提出多种不同的设计方案并对其进行了对比分析，确定最优的结构设计方案，指导某机载电子设备热设计。
VPX架构下高热流密度电子设备热设计
3.1 热仿真分析 对某型处理设备进行热仿真分析，模块的热分布
见图3，单板热功耗总计91.7 W。
温板，可以大大提高其传热效率。均温板结构见图 5。
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图 5 均温板结构
将模块壳体更换为均温板后重新进行热仿真分析 （图 6），芯片最高温度为 82.1 ◦C，散热效果提升明显。
2 基于VITA48.2标准的整机热设计
根据热平衡方程，整机所需的通风量：
Q Qf = ρCp∆t
(4)
式中：ρ为空气密度，60 ◦C时，ρ = 1.06 kg/m3；Cp 为空 气的比热，Cp = 1 005 J/（kg·◦C）；Q 为总损耗功率， Q = 1 000 W；∆t为冷却空气出口与进口的温差，这里
0.01 1
空气 对流
0.31 31
Rct,0
Rm
Rwg
图 1 VPX 模块散热路径
Rch Rcv
Tj
Rjc
Rct,0
Rm
Rwg
Rch
Rcv
Tf
图 2 VPX 模块冷却热阻网络
热阻是热量转移过程的阻力，其定义如下[2] ：
∆T R=
(1)
Q
式中：∆T 表示两节点间的温差；Q 表示节点间传递的 热流功率；热阻 R 表示两节点在传递单位热流功率时 的温差，反应介质或介质间的传热能力。对于传导热 阻，可按下式计算：
·环境适应性设计·
风机选型要求更高。本文主要考虑传导风冷，VPX 模 块通过传导将热量传到导轨架，再由强迫风冷将热量 带走。
设计模块方案时通常将高热流密度芯片焊接在印 制板上，芯片表面通过导热衬垫与模块腔体紧贴，将热 量传导至模块腔体上。模块两侧肋条上安装有便于模 块维护的楔形锁紧机构，当模块插入机架冷板插槽后 利用楔形锁紧机构对模块进行锁紧，通过紧贴的肋条 和楔形锁紧机构与机架冷板实现热交换。热传导路径 如图 1 所示，热阻网络如图 2 所示。图中：Rct,0 为导热 垫接触热阻；Rm 为模块传导热阻；Rwg 为锁紧条热阻； Rch 为机架传导热阻；Rcv 为空气对流热阻；Rjc 为结壳 热阻；Tj 为结温；Tf 为环境温度。
电子设备热设计方法
式中： φ —— 热流密度，W/m 2； A —— 换热面积，m2； C —— 系数，由表2-1查得； D —— 特征尺寸，m；
Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
表
2-1
自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 C 和 n 值
ln( r2 r1 )
R?
2? ? l
?W ?
长度为 l 的圆筒 壁的导热热阻
接触热阻
实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界 面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面 接触 —— 给导热带来额外的热阻
减小散热器与器件之间的接触热阻
影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用 的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或 参考实测数据来选择接触热阻。
c. 根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升
d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻
? 热阻的计算
Rt
?
?t ?
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。
a.
平壁导热热阻：
Rt
?
? ?A
b.
对流换热热阻：
Rt
?
1 hc A
3冷却方法的选择
3.1冷却方法的分类 3.2冷却方法的选择 3.3冷却方法选择示例
3.1 冷却方法的分类
? 按冷却剂与被冷元件之间的. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上 换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） c. 蒸发冷却 d. 热电致冷 e. 热管传热 f. 其它冷却方法
λ —— 流体的导热系数， W/(m·℃)； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa·s；
电子设备的热设计研究
电子设 备的热设计研 究
张 斌
（ 中国电子科技集团公司 第五十四研究所 ， 河北 石家庄 ００ ８ ） ５０ １
摘 要： 分析 了现代 电子设备热流密度的特点 ， 强调 了热设计重要 巨， 概括 了热设计 所涉及到 内容 ， 分剐从导热、 对流和热辐
下换热系数 的估算和确定［ ４ １ 。 ３３ 热辐 射 ． 与传导和对 流不同 ，热辐射是通过电磁波 的方 式传递能量 的过程。辐射不需要物体之间的直接接 触， 也不需要任何中间介质 。 同一物体 ， 温度不同时的热辐射能力也不一样 ， 温 度 相 同 的不 同物体 的热 辐射 能 力 也不 一样 。 同一 温度下黑体 的热辐射能力最强 。黑体在单位时间内 发 出的热辐射热量由 Ｓ ｆ — ｏｚ ａｎ ｔ ａ Ｂ ｌｍ ｎ 定律揭示 ｅｎ ｔ
． 断增大 ， 电子元器件散发的热量相应增加 ， 热流密度 ３ １ 导 热 当两个物体相互接触 ，或者一个物体 的各部位 也成倍增加 。 如何有效地降低 电子元器件的温升 ， 尤 之 间 温度 不 同 ， 会发 生 导热 。导 热 示意 图见 图 １ 就 。 其是降低密封小体积内的电子元器件的温升 ，这对
随着 电子技术 的飞速发展 ，大规模集成电路得 ３ 传 热学原理 到广泛使用 ， 集成化器件的功能 日 趋复杂 ， 出功率 输 在 自然界中 ，热量总是 自发地从高温物体传 向 不断加大 。电子设备 ， 特别是特殊领域 电子装备 ， 由 或由物体 的高温部分传 向低温部分。只要 于小型化和机动性的需要 ，要求缩小器件的封装体 低温物体 ， 就会有热量的传递 。 积， 其结构设计朝着超小型组装方向发展 ， 器件的封 有温度差存在 ， 热量传递有 ３ 种方式 ： 导热、 对流和热辐射 。 装密度 ， 就随之增高 ， 也 单位面积所需耗散 的功率不
热流密度800
热流密度800一、什么是热流密度800？热流密度是指单位时间内通过单位面积的热量。
在工程中，通常用W/m²表示。
热流密度800就是指每秒钟通过每平方米的面积传递800瓦特的热量。
二、在工程中，热流密度800有哪些应用？1. 电子设备散热在电子设备中，由于电子元器件运行时会产生大量的热量，如果不能及时散发出去，就会导致设备过热而损坏。
因此，在电子设备设计中，需要考虑如何有效地散发出产生的热量。
对于高功率电子元器件，需要使用具有较高导热性能的材料，并通过散热器将产生的大量热量迅速散发出去。
此时，需要计算散热器表面上每平方米传递的最大功率（即最大允许的热流密度），以保证设备正常运行。
2. 工业加工在工业加工过程中，需要对物体进行加温或冷却处理。
例如，在钢铁冶金行业中，需要对钢坯进行加温处理以改变其力学性能；在食品行业中，需要对食品进行冷却处理以延长其保质期。
此时，需要计算加温或冷却设备的热流密度，以保证物体能够均匀地受热或受冷。
3. 空调和供暖在家庭和办公场所中，需要使用空调和供暖设备来调节室温。
此时，需要计算空调和供暖设备表面上每平方米传递的最大功率（即最大允许的热流密度），以保证设备正常运行。
三、如何计算热流密度800？在实际工程中，计算热流密度800需要考虑多种因素，例如传热介质、传热方式、传热面积等。
下面以电子散热器为例，介绍如何计算散热器表面上每平方米传递的最大功率。
1. 确定散热器材料通常情况下，散热器材料可以选择铝合金、铜合金等具有较高导热性能的材料。
假设选择铝合金作为散热器材料，则其导热系数约为200W/(m·K)。
2. 确定散热方式在散热器表面上，热量可以通过辐射、传导和对流三种方式传递。
通常情况下，对流是散热器表面上热量传递的主要方式。
假设对流传热系数为10 W/(m²·K)。
3. 确定散热器表面积假设散热器表面积为1平方米。
4. 计算最大允许的功率根据热传导定律和能量守恒定律，可以得到以下公式：Q = kAΔT/δ其中，Q表示单位时间内通过单位面积的热量（即热流密度），k表示材料的导热系数，A表示传热面积，ΔT表示温度差，δ表示传导距离。
一种ASAAC标准的计算机模块热设计
一种ASAAC标准的计算机模块热设计摘要随着电子设备技术的不断发展，高功耗器件得到了越来越广的应用，电子设备的热设计已成为需要重点关注的问题。
本文使用热仿真软件FLOTHRM对一种ASAAC标准的机载计算机模块在侧壁液冷条件下进行了热仿真分析，对同类型模块散热设计提供了参考。
关键词：FLOTHERM；ASAAC；热设计1 引言当前电子设备技术的发展日新月异，元器件集成度越来越高、功能越来越强大已成为主要趋势，这也使得元器件的热流密度越来越高。
散热问题也成为影响电子设备使用可靠性的突出问题，尤其是对于使用环境恶劣的航空电子设备[1]。
据统计，电子设备的失效率随工作温度成指数增长，超半数的电子设备失效与超温有关[2]。
传统的自然散热方式越来越难以满足散热要求，强迫风冷、侧壁液冷等散热方式得到越来越多地应用。
ASAAC（Allied Standard Avionics Architecture Council联合标准化航电系统协会）标准是欧洲提出的一种LRM （Linear Replaceable Unit现场可更换单元）模块标准，相较于以往的模块，其具有维修性好、可靠性高、可扩展能力强等优点，目前已广泛应用于军用和工业电子产品[3,4]。
该标准规定了模块外形尺寸为233.4mm×160mm×24mm（长×宽×高）。
此项工作对一种采用侧壁液冷散热方式的ASAAC标准的机载计算机接口模块进行了热仿真分析。
2 ASAAC模块热设计方案该型ASAAC模块由基板、FC子卡、NVME子卡、壳体、上盖板、下盖板锁紧条和起拔器等部分组成（如图1所示）。
其中，基板上焊接有LRM型连接器，使模块具有现场可更换性；锁紧条和起拔器可以满足模块在机箱内锁紧和拔插的需要。
壳体和上下盖板等结构件的材料为6061铝合金，从表1可以看出，其具有较高的比强度和比刚度，能够满足强度要求，而且还有导热性能好，密度小等优点，目前已在航空电子设备中得到大量应用。
高热密度数据中心空调系统设计
高热密度数据中心空调系统设计本文以某计算机中心为例，概述高热密度数据中心的空调系统设计。
某超级计算中心的数据中心的高热密度计算机机房面积近200m2，其中高性能计算机的功耗最大达到每机柜23kW，总计有40台机柜。
机房内安装架空地板，但空间紧张。
1、空调方案选定根据机房场地条件和计算机系统发热的情况，采用高热密度封闭机柜最为合适。
这种形式的机柜完全封闭，制冷循环在机柜内完成。
每台机柜与机房环境基本独立，可迅速、准确控制每个机柜内环境，无须对机房整体空间制冷调节，减少了制冷能量在机房内的浪费。
高热密度封闭机柜采用机柜内直接制冷的方式，机柜内设备运行发出的热量通过机柜内空气循环，经机柜内热交换器，通过水冷循环回路，传递到机柜外的冷冻水系统。
机房内冷却水系统的热量通过中间热交换单元送到冷水机组。
由于封闭式机柜需要冷却水将热量带出机柜，需要将冷却水引入机房，带来了漏水和结露的隐患。
因此，系统需要的冷却水由一个中间热交换单元提供，确保机房内的冷却水的温度不低于12℃，高于机房的露点温度，防止结露的危险，同时保证冷冻水的流量稳定，确保末端机柜内空气温度的精确控制。
在机房工程和机房管理上，必须防漏水措施和预警管理。
2、制冷系统计算和设备选型机房中28台机柜功率密度为23kW，12台机柜功率密度为12kW，可计算机房设备的最大总发热量为788kW.根据机房场地条件，参考《电子信息系统机房设计规范》（GB50174-2008）的A级机房的要求：（1）选择40台某公司25kW制冷量的封闭式水冷机柜为高性能计算机设备撒热制冷，并有足够裕量。
（2）热交换单元系统总制冷量应为1.1×788=867kW（1.1为裕量系数），因而选10台100kW热交换单元（CTU）进行冷冻水转换，保证机房内谁系统的安全性。
10台热交换单元分成两组，每组5台100kW热交换单元，承担一半负荷，即14×23+6×12=394W，4主1备运行。
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从传导路径来看，传导强迫风冷方式的散热效率低 于穿通风冷方式；从设计和制造冷板来看，采用传导强迫 风冷方式的综合设备质量会略大于采用穿通风冷方式的
这会使设备质量大幅提高，且液冷系统设计复杂，会降低
可靠性，因此放弃液冷方式。
从图1可以看出，设备的热流密度在强迫风冷范围内
（按照模块表面计算的热流密度），其对应的温升在10 益内。
芯片计算壳温公式为=T0+滓T+T1。式中：T为芯片计
算壳温；T0为环境温度，取71 益；滓T为模块表面温升，取最
大值10 益；T1为模块表面至芯片表面温升，为模块内外壁
热设计技术主要包括自然散热、风冷散热、液冷散热,
以及相变、蒸发、热管、热电、微通道、射流等新型热控技
术、热仿真分析、预示技术及热测试与评估技术等[2]。
机架和机架内部的模块散热方式的选择还要结合系
统的 环境 条件 和允 许 的 散 热 方 式。 按 照 国 军 标 GJB/Z
27—1992《电子设备可靠性热设计手册》[3]中的规定，选择
电气功能的集成将各个独立的物理组件叠加在一 起，相对体积减小，整体热流密度增大；同时随着技术的 发展，满足设备小型化的要求，单个芯片的热耗随着功能 的提升而提高，急需解决综合化的电子设备散热问题。本 文从解决某高热流密度航空电子设备的散热结构设计入 手，阐述了散热形式的选择、散热结构的设计。 员 某电子设备散热要求
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
一种高热流密度电子设备结构设计
黄贤浪 （西南电子技术研究所，成都 610036）
摘 要：阐述了一种高热流密度电子设备的结构设计，通过理论计算和计算机仿真，解决了基于模块穿通风冷的高热流密
度的综合电子设备结构设计。测试试验证明该设备的热设计方案满足设计要求。
温升+模块内壁与芯片表面温升，取8 益。经计算T=89 益，
120
圆园员9 年第 6 期 网址： 电邮：hrbengineer@
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
一般芯片使用壳温在95~100 益。考虑使用强迫风冷方 式，对于局部热流密度高于平均热流密度部分，采用增大 散热面积、增加散热齿和增大供风量等措施，将作用于模 块表面的热流密度控制在0.5 W/cm2内。 2.2 散热形式
模块侧
模块肋条顶部
锁紧条侧
楔形锁
紧机构
x
1 综合接
KA
hA 触热阻
xx x
KA KAx KA
KA x
KA
图2 典型传导强迫风冷散热路径
图3 利用模块间隙形成风道
综合设备；从设备尺寸来看，由于穿通风冷方式需要模块 间留出散热通道，其设备尺寸会大于传导强迫风冷方式。
module through ventilation is solved. Tests have shown that the thermal design of the device meets the design
requirements.
Keywords: forced air cooling; high heat flux; electronic equipment
散热方式。
按照自 103
6
然散热方式
4
显然不能满 102
足设备散 6
热，设备的
4
2
上一级使用 10
平台未提供 6
环控风或液 冷源，需要 自行提供散
4
2
1 10-2 2 4 6 10-1 2 4 6 100 2 4 6 10 2
热平台。若 设备考虑使
热流密度（/ W·cm-2）
图1 冷却方式选择
用液冷散热，则需提供液冷源、液体流道、管路和冷板等，
该设备初步预计总热耗约为2509 W，根据功能划分 为56个模块。模块有效界面尺寸为160 mm伊144 mm，大多 数模块的热流密度为0.2 W/cm2。具有高热流密度的芯片热 耗达到了17.5 W（热流密度达1.78 W/cm2），对应的模块A最 高稳定热耗达到60.2 W，最高工作环境温度为71 益。 2 散热方案 圆.1 散热方式
Abstract: The structuraldesign of a high heat flux electronic device is expounded. Through theoretical calculation and
computer simulation, the structural design of the integrated electronic equipment based on the high heat flux density of the
某电子设备的安装平台未提供特殊散热条件，要求 电子设备自身解决散热问题。设备要求有良好的互操作 性：采用特定冷却方式时，所有符合封装标准的模块插入 到符合冷却方式标准的机架插槽时都能正确运行[1]。采用 基于ASAAC标准的电子模块实现现场维护功能，要求尽 可能降低设备的质量、体积，同时具有较好的维护性。
关键词：强迫风冷；高热流密度；电子设备
中图分类号:V 243
文献标志码:粤
文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）06原园120原园3
Structural Design of a High Heat Flux Electronic Equipment
HUANG Xianlang
（Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China）
0引言 随着电子设备功能的集成度日益提高，更多的航空
平台采用综合化的电子设备以减小尺寸，降低质量。综合 化的电子设备一般相对体积变小，在设计上要面临多功 能集成带来的高热流密度、更严酷的抗振需求和复杂电 磁环境，同时还要兼顾良好的维护性和轻量化设计，对高 集成度的综合电子设备结构设计提出更高的要求。