一种三维热阻网络模型及壳温和最大散热功率预测方法与流程

1.本发明属于散热技术领域，具体涉及一种自然散热通讯设备的三维热阻网络模型及壳温和最大散热功率预测方法。


背景技术：

2.随着现代网络通信技术的迅速发展，通讯设备的功率密度越来越高，而功率密度提高带来的高温是电子设备失效的重要原因。为了提高通讯设备在长期运行中的可靠性，必须在系统设计过程中对设备的散热能力进行分析。对于小功率通讯设备而言，一般采用的散热方式是自然对流和辐射换热。温度控制是通讯设备热管理的主要目标，获取温度的方法主要有热仿真和热测试。为了在产品样机开发之前获得芯片结温等关键热设计参数，国内外的研究学者提出和发展了许多种求解温度场的方法，主要包括解析法、数值法和热阻网络法。
3.解析法主要是分析传热模型，建立对应的微分方程，然后对微分方程进行求解。通常需要较高的数学水平，计算快、精度高，但是只适合用于解决简单几何和物理边界条件的问题。数值法是将实际物理模型离散为不同的节点，然后根据质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程建立对应的线性方程组，主要包括有限元法、有限差分法和有限体积法这三种。在实际使用中，一般依赖于计算机对大规模线性方程组进行求解，计算时间较长，可以用来解决复杂的传热问题。热阻网络法采用热电模拟的方法，将温差、热阻、热容和热流分别等效为电压、电阻、电容和电流，建立热流一维传输模型，解决瞬态和稳态的温度计算。尽管需要依赖于热设计工程师的经验和相关知识，但热阻网络法建模简单、求解时间短等优点依然突出，可以显著提高热设计的效率。
4.外壳最高温是通讯设备热设计的重要参数之一，过高的温度可能会在使用过程中对人体产生伤害。外壳的最高温主要与外壳的尺寸、材料、pcb板的尺寸和相对位置有关。
5.在自然散热通讯设备设计评估阶段，通常缺乏详细的外壳结构和pcb上的芯片布局，因此无法进行精度较高的热仿真。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的技术问题是提供一种精确评估自然散热通讯设备外壳温度和最大散热功率的三维热阻网络模型及壳温和最大散热功率预测方法。该壳温预测方法基于三维热阻网络模型，可以准确的估计外壳的最大温度，进而帮助热设计工程师和结构工程师在系统级热分析中进行外壳尺寸的确定和散热物料成本的初步估计,同时，基于壳温预测，可以通过调整设备的输入功率来获得不同的外壳最大温度，进而实现计算满足条件的最大散热功率。
7.为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
8.一种自然散热通讯设备的三维热阻网络模型，其中：
9.所述自然散热通讯设备包括设备外壳以及位于设备外壳内的pcb板；
10.所述pcb板作为一个单独的热源温度节点，外界环境作为一个恒温节点，在pcb板上下左右前后六个方向的每个方向上，pcb板和外壳内侧之间的空气作为一个温度节点，外壳内侧作为一个温度节点，外壳外侧作为一个温度节点；
11.将热量从设备外壳内侧传递到设备外壳外侧的热阻称为热传导热阻，将热量从pcb板表面传递到设备外壳内部空气中、从设备外壳内部空气传递到设备外壳内侧以及从设备外壳外侧传递到外界环境的热阻称为自然对流换热热阻，将热量从pcb板表面传递到设备外壳内侧以及从设备挖外壳外侧传递到外界环境的热阻称为辐射换热热阻，将热量由设备外壳内空气往重力相反方向流动和穿过通风孔时带走的热阻称为空气流动热阻；
12.各个温度节点以及相邻温度节点之间的一种或多种热阻构成三维热阻网络模型。
13.进一步的，所述pcb板是简化的发热平板，是自然散热通讯设备的简化热源。
14.进一步的，所述设备外壳是简化的设备外壳，为与实际设备最大尺寸相同的中空六面体。
15.上述三维热阻网络模型中，热传导热阻的计算公式为：其中r1是热量从设备外壳内侧传递到设备外壳外侧的热阻，δ是设备外壳的厚度，k是设备外壳材料的导热系数。
16.上述三维热阻网络模型中，自然对流热阻的计算流程如下：
17.首先通过如下公式计算流体的瑞利数：其中ra为流体的瑞利数，gr为流体的格拉晓夫数，pr为流体的普朗特数，g为重力加速度，β为体膨胀系数，δt为温度差，l为特征长度，v为运动粘性系数，α为热扩散率；根据自然散热通讯设备实际工作情况，各项物性参数取值为空气在60℃时的数值；
18.当pcb板实际垂直放置时，其对流换热系数和努塞尔数关系如下：
19.当pcb板实际水平放置时，根据流体实际的瑞利数，对于热pcb板加热上方流体或者冷pcb板冷却下方流体，努赛尔数采用下面公式计算：
20.对于热pcb板加热下方流体或者冷pcb板冷却上方流体，努赛尔数采用下面公式计算：其中nu为流体的努塞尔数，h为对流换热系数，l为特征长度，kf为膜层空气的导热系数；
21.通过上面各式可以求得pcb板的对流换热系数，然后使用如下公式计算pcb板不同方向放置时的对流换热热阻：其中r2为不同方向pcb板的对流换热热阻，a0为不同方向pcb板对应的换热面积。
22.上述三维热阻网络模型中，辐射换热热阻的计算公式为：
其中r3为辐射换热热阻，ε为材料表面发射率，σ为玻尔兹曼常数，a为换热面积，t1和t2分别为对应换热面的温度。
23.上述三维热阻网络模型中，所述空气流动热阻分为两类，第一类是空气在壳内不同位置自然对流传递热量的热阻，第二类是空气穿过通风孔流动传递热量的热阻；对于第一类热阻，一般取值为10w/(m
·
k)，对于第二类热阻采用如下公式进行计算：其中r4为第二类热阻，f0为外壳开孔率；对于不开孔设备外壳面，r4的取值为100w/(m
·
k)，此处的w/(m
·
k)是热阻的国际单位，w是瓦特，m是米，k是开尔文。
24.一种自然散热通讯设备的壳温预测方法，基于上述技术方案所述的三维热阻网络模型，在此基础上，采用如下步骤对壳温进行预测：
25.s1.确定热源边界条件和各温度节点之间的热阻；
26.s2.初始化温度矩阵的初始值，其中自然散热通讯设备的输入功率和工作效率为已知参数，参数统一为国际单位制；
27.s3.采用高斯-赛德尔迭代法对温度矩阵进行迭代计算,从pcb板温度节点开始进行迭代计算，一般设置最大迭代次数为10000次，最大残差和为0.005，当残差和小于0.005时迭代结束，输出迭代结果；
28.s4.修正步骤s3输出的迭代结果，采用如下公式对迭代结果进行修正：其中t
ii
为修正后外壳的最大温度，ti为三维热阻网络模型迭代计算后外壳的温度，l1和h1分别为对应方向外壳的长和宽，a1、b1、c1和d1为不同的修正系数，w为自然散热通讯设备的输入功率，b为自然散热通讯设备电源的工作效率；
29.s5.结果分析与输出,根据步骤s4修正得到的不同方向设备外壳最大温度，比较得到自然散热通讯设备整体的外壳最大温度。
30.进一步的，所述步骤s2中初始化温度矩阵的初始值时，采用公式t
p
＝t0 3wb初始化pcb板温度节点，采用公式初始化pcb板和外壳内侧的空气以及外壳内侧温度节点和外壳外侧温度节点，其中t
p
为pcb板节点温度，t0为外界环境温度，t
i0
为不同温度节点的温度，n为初始化系数，对于pcb板和外壳内侧的空气n取值为1，对于外壳内侧温度节点n取值为2，对于外壳外侧温度节点n取值为3。
31.一种自然散热通讯设备最大散热功率预测方法，基于上述技术方案所述的三维热阻网络模型，在此基础上，采用如下步骤对设备最大散热功率进行预测：
32.s1.确定热源边界条件和各温度节点之间的热阻；
33.s2.初始化温度矩阵的初始值，其中自然散热通讯设备的输入功率和工作效率为未知参数，设备外壳最大温度为已知参数，参数统一为国际单位制；
34.s3.采用高斯-赛德尔迭代法对温度矩阵进行迭代计算,从pcb板温度节点开始进行迭代计算，一般设置最大迭代次数为10000次，最大残差和为0.005，当残差和小于0.005时迭代结束，输出迭代结果；
35.s4.将步骤s3输出的迭代结果作为已知的设备功率参数，采用权利要求8或9所述的一种自然散热通讯设备的壳温预测方法对迭代结果进行验证，并逐步加大设备功率参数，直至迭代输出的设备外壳最大温度接近最大，此时设备功率参数即为设备最大散热功率。
36.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
37.本发明基于热电模拟的思想，将自然散热通讯设备划分为不同的温度节点，利用传热学理论公式和半经验公式确定不同温度节点之间的热阻，然后使用高斯-赛德尔迭代法对温度节点进行迭代计算，再通过经验修正公式确定不同方向外壳的最大温度。使用本发明的三维热阻网络模型可以在自然散热通讯设备设计评估阶段较为准确的估计外壳的最大温度，进而帮助热设计工程师和结构工程师在系统级热分析中进行外壳尺寸的确定和散热物料成本的初步估计。同时本发明在壳温预测的基础上，还可以通过调整设备的输入功率来获得不同的外壳最大温度，进而实现计算满足条件的最大散热功率。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
39.其附图说明如下：
40.图1为本发明自然散热通讯设备的简化物理模型示意图；
41.图2为本发明自然散热通讯设备(两边开通风孔的立式)的简化物理模型的三维热阻网络模型示意图；
42.图3为本发明壳温和最大散热功率预测方法的软件计算流程示意图；
43.图4为本发明的软件图形用户界面示意图。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，本发明所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下实施例的详细描述并非对本发明保护范围的限制，而是方便本领域普通技术人员对本发明的理解；本领域普通技术人员基于本发明中的实施例，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；除非另有明确的限定。
46.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，单数形式“一个”、“一
项”还意图包括复数；“多个”的含义是两个或两个以上。
47.本发明用于自然散热通讯设备壳温预测以及最大散热功率预测，以帮助热设计工程师和结构工程师在系统级热分析中进行外壳尺寸的确定和散热物料成本的初步估计，在外壳和散热物料确定的基础上，可以预测最大散热功率，帮助工程师更加合理的选择设备功率。
48.本发明在壳温预测和最大散热功率预测时，需要用到三维热阻网络模型，基于此，本发明提供一种自然散热通讯设备的三维热阻网络模型，对于本发明，所述自然散热通讯设备包括设备外壳以及位于设备外壳内的pcb板，所述设备外壳上开设通风孔或者不开设通风孔；对于这样的自然散热通讯设备要建立三维热阻模型，首先要对设备进行物理模型简化，由于自然散热通讯设备实际结构通常是比较复杂的，为了减少热阻网络模型的复杂度，需要对实际的设备进行一定的简化。在实际工作过程中，设备的主要热源是位于pcb板上的各类主芯片，假设功率为全部在pcb板上，那么设备的物理模型可以简化为固定壳体内的pcb板(将pcb板理解为为一块发热平板)与外界换热。设备外壳一般来说整体接近于六面体，因此将设备外壳简化为与实际设备最大尺寸相同的中空六面体，而外壳的厚度一般是1-3mm左右。对于不同的自然散热通讯设备放置方式，pcb板的放置方向是不一样的。对于立式和插墙，pcb板的厚度方向与重力方向垂直，而对于卧式和吸顶，pcb板的厚度方向和重力方向相同。除部分要求比较严格的室外通讯设备外，通常设备外壳上会开有用于散热的通风孔，部分热量随着自然对流产生的气流转移到外界环境中。基于上述思想，设备的物理模型简化后如图1所示，图1所示是一种两边开有通风孔的立式设备简化物理模型。
49.在设备的简化物理模型的基础上，建立设备的三维热阻网络模型，自然散热通讯设备包括设备外壳以及位于设备外壳内的pcb板，以设备正面为主视角，将热量分为上下左右前后六个传递方向。其中所述pcb板作为一个单独的热源温度节点，外界环境作为一个恒温节点，在pcb板上下左右前后六个方向的每个方向上，pcb板和外壳内侧之间的空气作为一个温度节点，外壳内侧作为一个温度节点，外壳外侧作为一个温度节点。考虑热量主要是通过pcb板上与pcb板厚度方向垂直的两个面(顶面和底面)传递，且pcb板这两个面尺寸与设备外壳内侧对应面的尺寸相差一般不大，所以忽略扩散热阻。因此将热量传递的热阻简化为四大类热阻。第一大类是热传导热阻，将热量从设备外壳内侧传递到设备外壳外侧的热阻称为热传导热阻，第二大类是自然对流换热热阻，将热量从pcb板表面传递到设备外壳内部空气中、从设备外壳内部空气传递到设备外壳内侧以及从设备外壳外侧传递到外界环境的热阻称为自然对流换热热阻，第三大类是辐射换热热阻，将热量从pcb板表面传递到设备外壳内侧以及从设备挖外壳外侧传递到外界环境的热阻称为辐射换热热阻，第四大类是空气流动热阻，将热量由设备外壳内空气往重力相反方向流动和穿过通风孔时带走的热阻称为空气流动热阻；上述的各个温度节点以及相邻温度节点之间的一种或多种热阻构成本发明的三维热阻网络模型。图2所示是两边开通风孔的立式自然散热通讯设备的简化物理模型的三维热阻网络模型示意图。图中圆形代表的是不同的温度节点，正方形代表的是不同的等效热阻。中间实心圆形代表的是pcb板温度节点，左边空心圆形代表的是环境温度节点。热量从实心圆形代表的温度节点产生，沿着六个方向，通过热传导、自然对流、热辐射和空气流动传递，最终转移到空心圆形代表的外界温度节点中。
50.上述三维热阻网络模型中，热传导热阻的计算公式为：其中r1是热量从设备外壳内侧传递到设备外壳外侧的热阻，δ是设备外壳的厚度，k是设备外壳材料的导热系数。
51.自然对流热阻的计算流程如下：
52.首先通过如下公式计算流体的瑞利数：其中ra为流体的瑞利数，gr为流体的格拉晓夫数，pr为流体的普朗特数，g为重力加速度，β为体膨胀系数，δt为温度差，l为特征长度，v为运动粘性系数，α为热扩散率；为了计算方便，根据自然散热通讯设备实际工作情况，各项物性参数取值为空气在60℃时的数值，对计算结果的影响较小。根据实验观察和理论分析，当瑞利数《109时，流体的流动状态为层流，当瑞利数更大时，流体的流动状态变为湍流。在自然散热通讯设备实际工作过程中，流体通常处于湍流状态。
53.考虑pcb板的实际放置状态，当pcb板实际垂直放置时，其对流换热系数和努塞尔数关系如下：当pcb板实际水平放置时，根据流体实际的瑞利数，对于热pcb板加热上方流体或者冷pcb板冷却下方流体，努赛尔数采用下面公式计算：对于热pcb板加热下方流体或者冷pcb板冷却上方流体，努赛尔数采用下面公式计算：其中nu为流体的努塞尔数，h为对流换热系数，l为特征长度，kf为膜层空气的导热系数；
54.通过上面各式可以求得pcb板的对流换热系数，然后使用如下公式计算pcb板不同方向放置时的对流换热热阻：其中r2为不同方向pcb板的对流换热热阻，a0为不同方向pcb板对应的换热面积。
55.对于自然散热来说，辐射换热转移的热量通常是不可忽略的，对于设备简化后的物理模型，辐射换热主要存在于pcb板和设备外壳内侧之间以及设备外壳外侧和设备外界环境之间，因此，辐射换热热阻的计算公式为：其中r3为辐射换热热阻，ε为材料表面发射率，σ为玻尔兹曼常数，a为换热面积，t1和t2分别为对应换热面的温度。
56.所述空气流动热阻分为两类，第一类是空气在壳内不同位置自然对流传递热量的热阻，第二类是空气穿过通风孔流动传递热量的热阻；对于第一类热阻，根据实际测试结果校正，一般取值为10w/(m
·
k)，对于第二类热阻采用如下公式进行计算：其中r4为第二类热阻，f0为外壳开孔率；对于不开孔设备外壳面，r4的取值为100w/(m
·
k)，此处的w/(m
·
k)是热阻的国际单位，w是瓦特，m是米，k是开尔文。
57.本发明提供一种自然散热通讯设备的壳温预测方法，基于上述技术方案所述的三
维热阻网络模型，在此基础上，采用如下步骤对壳温进行预测：
58.s1.确定热源边界条件和各温度节点之间的热阻；
59.s2.初始化温度矩阵的初始值，其中自然散热通讯设备的输入功率和工作效率为已知参数，参数统一为国际单位制；相比常见的摄氏温度，采用开尔文温度是为了方便后续的公式计算；为了加快迭代速度，所述步骤s2中初始化温度矩阵的初始值时，采用公式t
p
＝t0 3wb初始化pcb板温度节点，采用公式初始化pcb板和外壳内侧的空气以及外壳内侧温度节点和外壳外侧温度节点，其中t
p
为pcb板节点温度，t0为外界环境温度，t
i0
为不同温度节点的温度，n为初始化系数，对于pcb板和外壳内侧的空气n取值为1，对于外壳内侧温度节点n取值为2，对于外壳外侧温度节点n取值为3。
60.s3.采用高斯-赛德尔迭代法对温度矩阵进行迭代计算,从pcb板温度节点开始进行迭代计算，一般设置最大迭代次数为10000次，最大残差和为0.005，当残差和小于0.005时迭代结束，输出迭代结果；
61.s4.由于各温度节点采用的温度是不同部分温度的平均值，为了求取设备外壳不同方向的最大值，需要进行一定的修正，根据实际测试数据和经验分析，修正步骤s3输出的迭代结果，采用如下公式对迭代结果进行修正可以获得一个较好的修正结果：其中t
ii
为修正后外壳的最大温度，ti为三维热阻网络模型迭代计算后外壳的温度，l1和h1分别为对应方向外壳的长和宽，a1、b1、c1和d1为不同的修正系数，w为自然散热通讯设备的输入功率，b为自然散热通讯设备电源的工作效率；
62.s5.结果分析与输出,根据步骤s4修正得到的不同方向设备外壳最大温度，比较得到自然散热通讯设备整体的外壳最大温度。
63.将外壳最大温度与给定标准对比，热设计工程师和结构工程师可以根据具体要求决定调整外壳尺寸或者测试标准。
64.本发明提供一种自然散热通讯设备最大散热功率预测方法，基于三维热阻网络模型，在此基础上，采用如下步骤对设备最大散热功率进行预测：
65.s1.确定热源边界条件和各温度节点之间的热阻；
66.s2.初始化温度矩阵的初始值，其中自然散热通讯设备的输入功率和工作效率为未知参数，设备外壳最大温度为已知参数，参数统一为国际单位制；
67.s3.采用高斯-赛德尔迭代法对温度矩阵进行迭代计算,从pcb板温度节点开始进行迭代计算，一般设置最大迭代次数为10000次，最大残差和为0.005，当残差和小于0.005时迭代结束，输出迭代结果；
68.s4.将步骤s3输出的迭代结果作为已知的设备功率参数，采用权利要求8或9所述的一种自然散热通讯设备的壳温预测方法对迭代结果进行验证，并逐步加大设备功率参数，直至迭代输出的设备外壳最大温度接近最大，此时设备功率参数即为设备最大散热功率。
69.对于本发明中的公式，如无特别说明，单位均为国际单位制。
70.在本发明运用过程中，根据具体的情况可以通过编程建立计算工具软件来实现上面的步骤。在壳温预测的基础上，可以通过调整设备的理论功率来获得不同的外壳最大温
度，进而实现计算满足条件的最大散热功率。
71.具体软件实施例：
72.基于本发明的一种自然散热通讯设备的三维热阻网络模型及壳温和最大散热功率预测方法，使用python编写了ap/pon最大外壳温度和最大散热功率计算工具。通过在用户界面选择不同的求解目标，可以在给定功率和其他模型参数的条件下计算外壳的最大温度，或者是在给定允许的最大外壳温度和其他参数条件下计算满足条件的最大散热功率。
73.计算工具内部的计算流程如图3所示，打开之后的图形用户界面如图4所示。使用方法是首先在求解目标下拉框选择最大壳温或者是最大功率。如果是计算最大壳温，那么需要输入除了最大允许壳温之外的所有内容，然后点击开始计算按钮，就可以在左下方的最大外壳温度位置看到计算结果。如果是计算最大散热功率，那么需要输入除了输入功率和电源效率之外的所有内容，然后点击开始计算按钮，可能需要花费一点时间，可以在右下方的最大散热功率位置看到计算结果。将鼠标放置于输入框或者下拉框等组件上可以显示出不同的使用提示，方便用户在实际使用过程中输入合理的参数来保证对最大外壳温度或者最大散热功率预测的准确度。
74.以上对本技术实施例的一种自然散热通讯设备的三维热阻网络模型及壳温和最大散热功率预测方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。