本文讲述如何使用FLOTHERM进行热模拟和热分析

更多资讯参阅http://www.bingdure.com/

 

一 设备介绍

1.1 设备概述

该设备为一台工业级的电子设备，用途不祥，型号不祥。

1.2 设备特征

1) 设备的大小为423mm（W）×88mm（h）×370mm（L）；

2) 设备为密封式设备，密封程度防雨淋；

3) 机壳用铝合金（2A12）焊接而成，壳体和壳盖选择在整机的上部分分型，搭接面填充的非导热材料；

4) 机壳的两个侧板与盖板均铣有散热槽。

二 设备组成与工作环境

2.2 内部特征

1） 内部组成

设备由三个模块组成，即主板、控制板、电源模块。控制板通过板间连接器扣在主板的上方。

2） 模块功耗

设备的整机设计功耗为50W，实测功耗为35W，其中各个器件的设计功耗如下表所列：

序号	名称	功耗	所在位置	数据来源
1	主板	22	​	实测值
2	控制板	4	​	实测值
3	电源	10	​	计算值
4	芯片110	11	主板中心，Top	设计值
5	芯片1145	3	主板右下角，Top	设计值
6	芯片8245	3	控制板中心，Top	设计值
7	电源模块	8	电源中心，Bottom	经验值

表2.1 功耗表

2.3 散热方法

 

1) 用110导热板将芯片110的热量传导至机壳底板上；

2) 用8245导热板将芯片8245的热量传导至机壳侧壁上；

3) 在1145上放置一个铝材散热片；

4) 电源模块直接贴在机壳底板上，通过机壳底板散热；

5) 导热板的材料采用合金铝（3A12），采用折弯成型方法；

6) 铝表面之间采用厚度为1mm的导热膜导热，接触压力由连接螺钉的紧固力产生；

7) 铝表面和芯片表面采用厚度为1mm的导热膜导热，导热膜的变形量为0.7，从而产生接触压力；

8) 除与接触接触位置的表面粗糙度为3.2外，其余均为12.5。

2.4 工作环境

1) 设备的工作温度上限为55℃；

2) 设备所处环境的空气会有不同程度的紊流。

三 热仿真过程中的参数设置

3.1 环境参数

1) 求解范围：600mm（W）×200mm（h）×50mm（L），设备位于求解区中心；

2) 环境温度：55℃；

3) 空气导热率：10 W/m^2K 【停滞空气的导热率为5 W/m^2K】

3.2 建立模型

1) 假设设备外壳为壁厚为4mm的空心壳体，忽略盖板与侧壁上的散热槽，忽略其他结构要素；

2) 忽略设备内部线缆造成的阻尼；

3) 忽略设备内部线缆在工作工程中的功耗；

4) 设备内部的大器件，如滤波器，在建模时设定为无热量、不导热的固体；

5) 设备内部的小器件，如磁环、走线板等，在建模时忽略。

3.3 电气件参数设置

1）主板参数

厚度：2.5mm；

导电材料：库内材料copper（pure）；

非导电材料：库内材料FR4；

其他设置：默认值。

2） 控制板与电源板参数

厚度：2mm；

导电材料：库内材料copper（pure）；

非导电材料：库内材料FR4；

其他设置：默认值。

3） 芯片110、1145、8245、电源模块

功耗：按照表2.1输入；

位置：按照实际位置输入；

状态：固体；

材料：传导率20W/m K，芯片表面为磨光铝表面；

其他设置：默认值。

4） 热仿真其他设置

主板General：Top 4W，Bottom 2W；

控制板General：Top 1W；

电源板General：Top 2W；

General大小：平面等同于印制板大小，高度方向上为5mm。

3.4 热分析结构件参数设置

1） 材料：库内材料Al 6061；

2） 表面：Polished Plate Aluminium；

3） 表面交换：指定热交换系数185 W/m^2K。

3.5 温度传感器设置

1） 传感器110；【芯片110的芯片表面温度】

2） 传感器sr110；【110导热板冷端表面温度】

3） 传感器8245；【芯片8245的芯片表面温度】

4） 传感器sr8245；【8245导热板冷端表面温度】

5） 传感器pcu；【电源模块表面温度】

6） 传感器gaiban；【盖板内侧表面温度】

7） 传感器1145；【芯片1145芯片表面温度】

8） 传感器air；【壳体内部空气温度】

9） 传感器110up；【110导热板热端表面温度】

四 热仿真求解

4.2 传感器温度收敛结果

芯片	110	Sr110	8245	Sr8245	Pcu	Gaiban	1145	Air	110up
收敛　结果	83℃	61.5℃	68.5℃	61℃	63℃	60℃	82℃	66℃	82.5℃

表4.1 温度收敛结果表

五 实测结果

5.1 试验方法

把设备放置在55℃的恒温箱中，先保温4小时，再工作2小时后，进行测量。

5.2 测量方法

将电阻片式温度巡检仪，对8245导热板热端表面、紧贴电源模块的机壳表面、110导热板的热端表面、机箱内空气、壳盖表面，5个位置进行温度检测。

5.3 测量结果

位置	8245导热板	电源模块	110导热板	空气	壳盖
温度	65℃	65℃	70℃	62℃	66℃

 

六 发现而未解决的问题

6.1 如何设置两个平面的接触热阻？

6.2 如何设置大气压？

6.3 如果设备为密封式的，环境大气压和机箱内大气压是否默认相等，还是需要分别设置？

6.4 如何设置表面的热交换系数？