热辐射在电子设备热仿真中的影响

袁亚辉，朱霄聪



热辐射在电子设备热仿真中的影响

袁亚辉，朱霄聪

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

热仿真分析作为电子设备前端设计的重要手段，其结果受到多种因素的影响。为了探究热辐射对于热仿真分析结果的影响程度，举例进行说明。案例为一个结构简单的插箱式电子设备，经过前期散热设计，采取了一些散热措施，发热器件的温升得到有效控制。然后对该模型参数进行重新设置，在求解控制器中关闭了热辐射功能。对比考虑热辐射和不考虑热辐射两种情况对于计算结果的影响，发现不考虑热辐射时元器件的温升显著提高，与实际情况不符。

热辐射；热仿真；插箱式电子设备

在电子设备行业，传统的热设计方法是：经验加样机测试。该方法不但完全依赖设计师经验，而且还需要进行相关计算，然后通过样机测试结果进行设计优化调整。该方法虽然具有一定的实用价值，但由于经验依赖性大，计算量也相对较大，设计调整次数也较多，从而造成开发周期加长、开发成本增加[1]。针对传统热设计的局限性，人们引入前端热设计的方法[2]，即在正式进行产品设计前，通过专业的热仿真分析软件对设计构思进行模拟分析并且优化[1]。

进行热仿真分析前，需要明确电子设备的实际使用情况及确定热传递的方式。热量传递的三种基本形式是热传导、热对流、热辐射[3]。

1 热辐射

由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。热辐射的电磁波是物体内部微观粒子的热运动状态改变时激发出来的。只要温度高于0 K（绝对零度，约等于-273.15℃），物体总是不断地把热能变为辐射能，向外发出热辐射。同时，物体亦不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能重新转变为热能。辐射换热是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。

当热辐射的能量投射到物体表面上时，和可见光一样，也发生吸收、反射和透射现象，如图1所示[4]。

图1 物体对热辐射的吸收、反射和透射

在外界投射到物体表面上的总能量中，一部分Q被物体吸收（转换成热能），另一部分Q被物体反射，其余部分Q穿透过物体。根据能量守恒定律，则有：

＝Q＋+Q＋Q（1）

2 热仿真案例

某电子设备面板高度为1U，经过前期的散热设计，结构模型如图2所示。为提高仿真计算效率，建模时将部分组件进行简化处理，删除或忽略对热仿真结果无影响的部件，发热器件采用均质简化建模。各发热器件、PCB、齿片散热器、中频模块盖板等组件采用细化网格划分，其余各部件粗化网格划分。设备工作允许的环境温度范围是[-20℃, +55℃]。

面板、后板、左右侧板、底板和盖板（图2中被隐去）的材料为普通铝合金。在设备箱体内部，各模块通过硬铝合金支柱固定在底板上；基带模块（包括上基带板和下基带板）上的散热器也由硬铝合金支柱固定于PCB上；中频模块（图2中被隐去上盖）由标准螺钉固定于底板。

图2 电子设备结构模型

2.1 考虑热辐射

热仿真的前处理阶段，参数设置时考虑热辐射，环境温度设为设备工作温度允许范围的上限值+55℃。同样地，对与发热器件连接比较紧密的部件例如齿片散热器、PCB、中频模块的盖板及器件本身进行网格细化，其它部件则采用比较粗大的网格，保证结果精确的前提下提高计算效率。在求解控制属性中将热辐射的“Active”的下拉选项选中“Yes”，检查模型，划分网格并进行求解计算。计算结果温度云图如图3所示，图中显示的颜色代表各组件的表面温度。

图3 计算结果温度云图

计算结果如表1所示，表中ΔT＝T－T'max。由于器件采用均质简化建模，因此可将表面温度近似等同于其结温。

由表1可以看出，各元器件的温升都在＋30℃以下，说明散热设计的效果是比较理想的。

表1 发热器件温度计算结果（单位：℃）

2.2 不考虑热辐射

设备的结构模型保持不变，在热仿真的前处理阶段，参数设置时不考虑热辐射，环境温度设为＋55℃。计算结果温度云图如图4所示，图中显示的颜色代表各组件的表面温度。

图4 计算结果温度云图

计算结果如表2所示，表中ΔT＝T－T'max。同样地，由于器件采用简化建模，因此可将表面温度近似等同于其结温。

表2 发热器件温度计算结果（单位：℃）

3 结论

将图3和图4进行对比，可明显看出图4的发热器件对与其直接接触的PCB的温度上升的影响范围更广、更大。这是由于没有了热辐射的参与，器件产生的热量更依赖导热的方式来扩散。表1与表2的结果对比如图5所示。

由图5可知，在不考虑热辐射时，器件的温度显著比考虑热辐射时的温度要高很多，与实际情况差异较大。因此，进行电子设备设计时，一定不能忽视热辐射对器件散热的作用。否则，原本使用低成本的方式就可实现的散热目的，却要浪费更高的成本，采用更高端的散热方式，导致成本浪费，得不偿失。

图5 有无考虑热辐射的结果对比

[1]宋洪涛，宾鸿赞. 热仿真技术在电子设备结构设计中的作用[J]. 应用科技，2001，28（8）：165-167.

[2]李承隆. 电子产品热设计及热仿真技术应用的研究[D]. 成都：电子科技大学，2010.

[3]袁亚辉. 基于6SigmaET的某电子设备瞬态热设计[J]. 机械，2013，40（8）：36-39.

[4]余建祖. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[5]赵敏，陈志平，张巨勇. 大功率LED灯的热分析与热设计[J]. 机电工程，2012，29（2）：220-223.

Influence of Thermal Radiation on Thermal Simulation about Electronic Equipment

YUAN Yahui，ZHU Xiaocong

(GuangzhouHaige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663, China )

As an important tool of concept design of electronic equipment, the results of thermal simulation analysis are influenced by many factors. In order to make research onhow heat radiation influenced the results of the thermal simulation analysis, one case is introduced. The case is a simple box electronic equipment. After the previous thermal design, some thermal measures were adopted and then the temperature rise was controlled effectively. Next step the parameters of the model were reset, the function of heat radiation was shut off in the solution controller. Influences on the solution results of what the heat radiation was considered or not in the case were compared. It indicates that when the heat radiation was not considered the temperature of the components rose remarkably, which is discrepant with the fact.

heat radiation；thermal simulation；box electronic equipment

TN376

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.007

1006－0316 (2018) 01－0034－03

2017－05－08

袁亚辉（1983－），男，河南漯河人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电子通信设备结构设计、热仿真设计、冲击跌落仿真；朱霄聪（1980－），男，广东湛江人，本科，工程师，主要研究方向为工业设计、人机工程设计、结构设计。