密闭电子机柜热环境散热数值模拟-研究

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1、第一章绪论1．1课题背景随着大规模集成电路集成密度的不断提高，电子器件的冷却问题越来越突出。20世纪70年代每平方厘米集成电路芯片的功率最高约为low，20世纪80年代增加到20~30w，进入20世纪90年代后，这一数字上升到102w的量级，而发展到21世纪的今天，这一问题变得更加严峻，有些电子类产品都有。电炉”之称。另一方面，随着现代电子产品集成度的不断提高，体积的不断缩小，形成了局部的高热密度。高温会对电子元器件的性能产生非常有害的影响，例如高温会危及到半导体的结点、损伤电路的连接界面．增加导体的阻值和形成机械应力的损伤。另外，当电子电器元器件产品开始工作时，就会

2、由于自身功率的损失而发热，功率越大，发热量也就越多，这使得其周围环境温度相应的提高。周围环境温度提高，会影响产品内部热量的散发。现在各种电子电器设备通常都放在一个密闭的机箱里，即通常说的电器柜或者工业机柜，相应的，电器柜中的温度也随着电子器件集成度的提高越来越高，里面有越来多的热量堆积。电子器件正常工作温度都有一定的范围，一般不能太高或太低，否则电子器件将不能正常稳定工作，如cPu正常工作温度为一5～+65℃，而目前通信设备中电子元件温度一般为O～+70℃，大功率IGBT电器元件一般不超过150℃。各种电子元器件在高温和低温下的失效及比值如表1．1所示。电子产品在许多

3、应用场合具有很高的环境温度，常规所提供的温度范围能满足一般电子设备的需求，但是在军事上和工业上的应用有时很恶劣，这将严重影响电子设备的工作可靠性和使用寿命。例如：pIIl500芯片。其集成的元器件数目达到了百万之多，温度显著提高，虽然采用了散热片、风扇等措施来进行冷却降温，但仍得不到所要求的效果，厂商不得不将其工作电压从5v降低到3V，甚至更低，以减小其功耗，控制内部温度，保证其正常工作川。有文献表明H，电子元器件的失效率与温度有关，元器件使用环境温度每提高10℃，则元器件的寿命会缩短二分之一到三分之一；提高20℃，则元器件的寿命只有原来的四分之一。可见环境温度对电子

4、元器件寿命的影响之大，因此，如何对电子电器元件工作环境进行降温冷却，已经成为目前电子电器尤其是大功率电子电器元件电器柜热设计的关键。表1．1各种电子元器件在高温和低温下的失效率及比值基本失效率元器件名称』T／℃高、低温失效率比值高温低温品体管160℃时0．06440℃时O．0081208：1玻璃和陶瓷电容125℃时0．02940℃时0．00098532：1变压器和线圈85℃时0．026740℃40．0014527：l电阻(碳膜电阻)90℃时0．006340℃时0．00025031：1集成电路芯片90℃时0．5140℃时0．0068507．5：1因为湿度和灰尘对电子电器

5、设备工作性能的影响也很大”1，所以电器柜要求做到防水、防灰尘、防腐蚀性气体。鉴于这些，一般要求电器柜应该是密闭的，这样使得内部元器件的散热更难以排除机柜外面。内部元器件热环境更加恶化。为确保电子电器设备安全稳定的工作，需要采取一定的措施将其过余热量排除去，使其工作在安全的温度范围内，这就是所谓的电子电器设备的热设计。电子设备的热设计包括三个级剐”’，分别为元件级(C0lIP蝴S)、封装级(PAcI(AGEs)和系统级(SYSTEMS)，再具体来分为元件级、组件级、插箱级、机柜级和系统级。元件级的热设计是指对电子产品的组东南大学硕士学位论文件级别的热设计，确保发热电子元

6、器件所产生的热量能够及时排出。是系统组装设计的一个重要方面：封装级的热设计是指对电子模块、散热器、PCB板级的热设计。现代电子系统研究的重要课题是尽可能地降低系统的全寿命费用，尽可能地提高系统的可靠性。对于一个系统．如果能成功地进行热设计管理，就能以较小的投资获得长期的巨大的效益。然而．由于缺乏完善的热管理而导致的系统出现种种热问题而最终导致大量不必要的费用增加的例子屡见不鲜【5l。电子设备的可靠性及其性能。在很大程度上取决于设备是否具有良好的热设计考虑．以及所采取的散热措施是否有效。合理有效的散热设计在整个产品的设计中占有至关重要的地位。本文针对大功耗高热流密度的电

7、子设备密闭机柜的热设计进行了研究。1．2国内外研究成果现状1925年，cockcraft发表了一篇关于变压器的冷却研究，标志着人们对电子器件及仪器设备散热研究的开始，从此散热技术就伴随着电子技术的进步而不断发展”1。20世纪50年代中叶，晶体管的出现并在大多数的电子仪器设备中替代了电子管。虽然晶体管相对电子管发热较小，但由于晶体管对温度非常敏感，即使是相对较小的功率，散热不良也会直接影响它的可靠性和稳定度，散热问题因此而变得愈加严峻。一些有效的散热方法，如自然对流冷却技术、强迫对流空气冷却技术以及加装鳍状散热片等方法都得到了广泛的应用。1958年，T