液晶拼接屏应用于飞机布线的散热方法研究

李飞飞，刘贡平，程佳敏，田春林，3

（1.长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；2.西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 西安 710000；3.广东光机高科技有限责任公司，广东 佛山 528000）

1 引言

液晶工作台是将生产用的图纸信息（包括源头、源尾及拐点柱位置、布线路径、导线信息和检验标识等）利用液晶屏显示到工作台上，操作者根据显示信息在工作台上方的防护用钢化玻璃上进行布线。然而随着电子设备及元器件的集成化、小型化使得设备总功率和发热量大幅增加[1]，在模拟现实布线工况时，经测定液晶屏工作一段时间后，其温度保持在较高状态下，不仅易造成元器件失效，还会使操作人员进行布线工作时长时间与高温钢化玻璃接触，给人造成不适感，同时可能影响真空吸盘的吸附力，降低吸盘稳定性，无法达到布线工作稳定、高效、安全的要求，因此需要将屏幕上传到钢化玻璃表面温度控制在35°C以下。传统的热设计主要是对发热元件进行结构设计，包括散热片的尺寸选取、风扇以及相关元器件的布局，这些都是针对设备内部进行预设计、再调整[2]。但针对工程运用中的特殊要求，我们需通过外部手段减少电源板和屏幕之间的热量传递以达到预定目标。

借助Icepak软件得到拼接屏在工作时的热源、温度和流体分布情况，然后针对热源集中区、高热区进行散热方案的制定，使系统温度和背壳温度下降10°C左右，并通过实验验证方案的可行性，保障布线工作的正常进行。

2 液晶拼接屏的热源分析及结构简化

液晶拼接屏内部结构较为复杂[3]，但主要热源集中于LED背光模组、电源板以及主板CPU[4]，而LED 背光源和图像驱动板占整机发热量的80%左右，电源板约占20%。电源板上主要有开关电源、变压器、电容器、各种电阻等功率元件，部分器件上加有散热器，而封装机壳上开有小型通风口和小功率温控风扇。为了提高计算效率，对电源背板结构简化，忽略掉尺寸较小且不发热的元件，保留主要元件的材料属性、尺寸大小、位置参数。已知该液晶大屏幕功耗约为250W，电源板功耗约为50W，各功率元件大概分布情况，如表1所示。

表1 各元件热耗分布Tab.1 Heat Consumption Distribution of Each Element

在PCB1上有①～⑬型号，共计36个发热单元，PCB2上有⑭～⑱型号，共计10个的发热单元，在发热器件②、⑧、⑩布置散热器型号A，器件⑰上布置散热器型号B。

3 模型的建立与仿真分析

3.1 仿真模型的建立

Icepak软件能够求解整机级、环境级的热仿真问题，内置有大量的电子产品模型、各种风扇和材料库，可以模拟自然对流、强迫对流、辐射、传导等流动现象[5]。

计算模型为一立体电源背板，外壳为不锈钢材质，内部元件包括PCB、主要功率元器件、板翅散热器以及温控风扇。其中，外壳尺寸（400×380×50）mm，壁厚1mm，PCB1尺寸为（300×170）mm，厚度1.6mm，PCB2尺寸为（240×60）mm，厚度1.6mm，板1、2为均采用绝缘材料FR4和纯铜，覆铜率30%，导热系数为正交各向异性参数，两块电路板均放置在相同大小，厚度1mm的聚四氟乙烯薄板上。建模时均将发热器件定义为三维实体，保留各个器件的尺寸、位置及热耗，在外壳内表面处装有一个温控风扇，壳的5面上有序分布半径为2.5mm 通风孔，散热器主要参数，如表2 所示。风扇参数，如表3所示。

表2 板翅散热器尺寸特征Tab.2 Size Characteristics of Plate-Fin Radiator

表3 风扇尺寸设定参数Tab.3 Fan Size Setting Parameters

根据液晶拼接屏背板系统的分析，利用Icepak专业软件基于有限元法完成整个系统的建模、网格生成、求解和后处理等工作。在建模过程中，为了使得周围空气对流充分，计算域设定遵循如下：设模型三维上的最大尺寸为L，重力为Y轴负向（Y−），则Cabi⁃net外边界模型外壁距离满Y+>2L、Y−>L，其他方向距离>L/2，且六个面为Opening，风扇选择Internal类型，环境温度设为25°C。

3.2 仿真结果分析

背板系统的温度分布和气流分布情况，如图1、图2所示。根据资料表明，当电路板上的器件温度高于85°C时，就会产生断电保护[6]。从温度分布云图上可以看出，背板系统局部温度最高达到71°C，满足电路板工作要求，而高温元件主要集中在：包括开关变压器、二极管、电感以及M型电阻处；电源板和屏幕间连接的壳温度达到54°C，分布在PCB1靠近风扇的地方，主要是因为电路板上此处功率元件分布较为密集，热流密度大，元件上热量积聚较多。在背板内部，外部空气通过通风进入内部，在风扇抽风作用下，将电路板上热量带走，所以风扇口处气流密度大，速度快。

图1 温度云图Fig.1 Temperature Contour

图2 气流速度分布图Fig.2 Flow Velocity Distribution

4 散热方案的制定与仿真分析

4.1 散热方案的选定

热设计主要是基于热传导、热对流和热辐射这三种热传递方式[7−8]，而通过主动散热途径包括：风冷散热、水冷散热、液冷散热、热管散热器散热以及液氮散热等方式。

就目前的使用环境来看，风冷散热方式结构简单、安全可靠的优势，更加适合该工况下的散热需要。这里液晶拼接屏电源背板内部空间很小，功率器件分布较为密集，而内部热量主要是靠外壳的自然对流和辐射换热进行的，考虑到布线系统需求，液晶拼接屏的放置区别于一般情况下的立式安置方式，采取平放方式，同时在屏幕上方2mm位置放置防护用钢化玻璃，将布线需要的真空吸盘吸附在玻璃上，布线平台，如图3所示。

图3 布线平台示意图Fig.3 Schematic Diagram of Wiring Platform

基于液晶拼接屏的平放布置，电源板的热量向上传递，造成屏幕内部热量无法得到有效处理，使得屏幕热量逐渐累积传递到玻璃上，在热胀冷缩效应下，极有可能造成吸盘的松动，而且对于长时间接触高温玻璃的工作人员也是不利的，因此我们决定在背板外壁增加风冷设备，加强内部气流的流动，强化电源背板系统的冷却效果，减少背板系统与屏幕内部的热量传递，以此达到对显示屏的散热。

强迫风冷的计算公式[9]如下所示：

式中：在标准条件下，ρ—空气密度，取为1.18kg/m3；

c—空气的比热容，取为1.005kJ（/kg·°C）；

Δt—系统进出口空气压力差，根据工程运用中实际需求初步确定为15°C；

Q—简化电源板系统热功耗，约为50W，计算得系统所需要的风量约为0.169m3/min。

考虑到冷却风量的损失，工程中一般按照（1.5～2）倍的裕量来设计最大冷却风量[10]，这里按两倍的裕量计算得所需风量约为0.338m3/min。

根据前面的仿真分析得到背板系统内部的温度分布和气流分布情况，为了满足散热需求，同时需要考虑到减小噪音和合理布局等问题，所以尽量选择低转速的，而尺寸较大、转速较低的风扇相较于尺寸小、转速大的在输送相同风量时更为安静。因此，选择在电源背板上并联两个轴流风扇，保证系统理论上需要的冷却风量，风扇向外抽风，风扇参数选定，如表4所示。

表4 风扇规格参数特征Tab.4 Fan Specifications and Parameters Characteristics

4.2 仿真结果分析

由图1壳体温度云图可知，需要在红色区域上方外壳上布置散热风扇，通过仿真计算得到电源板背面与屏幕接触的壳体温度分布，如图4所示。

图4 温度云图Fig.4 Temperature Contour

将该图与图2温度云图数据对比可以发现，在增加风冷措施后，整个背板系统最高温度和壳体背面最高温度均降低了10°C左右，温度降幅较为明显，说明该风冷措施能够有效减少电源背板系统的热量积聚，提高屏内部热量与外界热量交换的效率，保障屏幕温度在合理范围内。

5 实验验证

为了验证该散热方案对屏幕在进行布线工作时的降温效果是否满足布线需求，进行简单的模拟实验。将拼接屏支起一定高度平放于工作台上，确保屏幕最下端外壳与工作台之间有较大空隙来散热，钢化玻璃四角用支架支起置于屏幕上方约2mm处，让液晶屏幕在25°C左右的工作环境下工作一段时间后，然后用测温计记录两种情况下钢化玻璃以及屏侧边上多个位置点的温度，位置点分布情况，如图5所示。

图5 位置点分布情况Fig.5 Distribution of Location Points

图中只显示壳体最高温度点和屏上面温度点具体温度数值，通过两种情况下实验数据可知，不加散热措施时，屏幕侧边壳体温度最高达到48.4°C，钢化玻璃上最高温度维持在40.6°C左右，然而在增加散热措施后，屏幕侧边壳体温度下降37.2°C左右，而钢化玻璃表面最高温度降到了33.6°C，低于预期值35°C，说明通过减少电源背板系统到显示屏内部的热量传递，可以有效降低屏幕工作时的温度，验证了方案的可行性。两次实验时间−温度折线图，如图6所示。

图6 时间−温度折线图Fig.6 Time−Temperature Line Diagram

6 结语

采用热分析软件Icepak对某液晶拼接屏电源板建立简化模型，并基于有限元理论进行热仿真分析，模拟应用于飞机布线的特殊条件下，获得电源板系统的温度、气流分布情况，结果满足电路板上电子器件正常工作时的温度，说明结构简化的合理性。对热源集中区、高热区制定散热方案，使屏幕积聚的热量得到有效处理，保障屏幕画质和吸盘稳定性，提高布线工作稳定、高效性和安全。通过实验模拟布线实际工况，验证了方案的可行性，结果达到了预期目标。