熱控分析軟件ICEPAK在某電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用

謝軍   蒲小兵

西安電子工程研究所

 

   【摘要】本文以某電子設(shè)備收發(fā)系統(tǒng)熱控方案的設(shè)計為出發(fā)點，闡述了熱控分析軟件ICEPAK在電子設(shè)備熱控制方面的具體應(yīng)用，并介紹了一些應(yīng)用經(jīng)驗。

   【關(guān)鍵詞】熱控制 熱分析 熱仿真

1 前言

電子設(shè)備中的各種元件的故障率    往往隨著自身溫度的升高而成指數(shù)關(guān)系變化，為了提高電子設(shè)備的可靠性，在進行電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須采取有效的熱控制措施，以降低各種元件尤其是大功耗器件的溫度。

某電子設(shè)備機柜如圖1、圖2所示，箱體內(nèi)劃分為左右兩部分。左邊為頻綜模塊和接收模塊，右邊為高壓變換單元和高壓油箱。前面橫置TWT。底部開蓋，前后有45°倒角。在底蓋內(nèi)裝有控制盒和3種電源模塊。該電子設(shè)備的設(shè)計難點：（1）空間狹小，分系統(tǒng)多。（2）局部單元熱耗大，如高壓油箱和TWT等，系統(tǒng)要求采用強迫風冷。

 

2 分析說明

基于以上條件，我們采用熱控分析軟件ICEPAK來解決該項目的熱設(shè)計問題。ICEPAK是以有限體積法為求解器的新一代熱設(shè)計仿真軟件。它可以模擬真實的溫度場、壓力場和流速場，幫助設(shè)計師確定合理優(yōu)化的方案，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本。特別在以流體流動為重點的設(shè)計中，更能發(fā)揮出有限體積法的優(yōu)勢和便捷。

     計算機熱輔助分析方框圖如圖3。

2.1建模

依據(jù)軟件建模特征中的的一些特點，我們在底蓋前后補全了倒角，使之從外觀上近似于一個正六面體機柜，并增加了2個Vent特征，保證了底蓋倒角處氣流流向與流速不受影響。

該設(shè)計方案中許多建模特征都為45°斜置，包括Fan、Plate、Vent和Wall。由于有限體積法在邊界方正及區(qū)域內(nèi)部單一的情況下有較好的解算精度和易收斂性，所以Fan都用了矩形風機來取代圓形軸流風機。

在底蓋中部，放置了一個薄的傳導型Plate，穿過控制盒和電源模塊1，將機柜中下部分成前后兩大部分，形成了通風系統(tǒng)，控制低溫度的進風首先流過高壓油箱表面，然后經(jīng)并聯(lián)的風機帶出機柜。圖1中藍紅箭頭表示風機流向。

另外，由TWT散熱器的兩端風機一進一出，也形成了獨立的通風系統(tǒng)，專用于大熱量高功耗的TWT散熱。

 2.2網(wǎng)格劃分

盡量采用粗網(wǎng)格劃分空間。首先，檢查各模型網(wǎng)格是否劃分到真實幾何體上以及逼近模型輪廓的程度。其次，檢查實體模型間流體間隙是否有足夠的網(wǎng)格數(shù)。這一步較關(guān)鍵，因為小的間隙再加上快的流速，其勢函數(shù)與流函數(shù)有較大的梯度變化，必須有足夠的網(wǎng)格數(shù)才能保證此處的分析精度。

經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)電源模塊2、電源模塊3網(wǎng)格變形，而且TWT散熱器翅片間網(wǎng)格數(shù)不足2個。所以對這幾處局部加密，最終滿足了要求。此時，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)99.4萬（nodes），單元數(shù)約96.7萬（elements）。

2.3定義熱邊界條件

風機特性參數(shù)（可以輸入曲線或選用數(shù)據(jù)庫中的風機）、進出口類型及透空率，各電子模塊材料特性、耗散功率、環(huán)境溫度及壓力等等。輸入時，各參數(shù)單位可由軟件自動匹配。

2.4解算

啟動Fluent求解器開始解算。迭代過程中若發(fā)現(xiàn)連續(xù)性方程、動量方程及能量方程有其一發(fā)散，立即停止解算。先檢查所有模型空間位置，網(wǎng)格質(zhì)量和熱邊界條件，杜絕所有幼稚型錯誤，最后調(diào)整松弛因子。反復檢查，直到收斂為止。

2.5后處理 

該功能直觀地顯示諸如最高溫度，流速及溫度場分布等數(shù)據(jù)，從而幫助設(shè)計和分析人員迅速了解和評估設(shè)計方案，決定是否需要修改設(shè)計模型，以便得到更為合理的設(shè)計方案。

3 方案優(yōu)化

本項目的初始方案依據(jù)以往產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗而制定，即為方案1。經(jīng)過ICEPAK軟件分析后，發(fā)現(xiàn)TWT符合溫度要求：ΔT₁^TWT=42.8℃≤70℃。而高壓油箱ΔT₁^HV=66.7℃，溫升較高，不符合使用要求。

修改設(shè)計，得到方案2。即將2個進口百葉窗換為2個風機。同時，將TWT的發(fā)熱集中端掉頭至遠離高壓油箱處。此時TWT溫升ΔT₂^TWT=49.7℃≤70℃。而高壓油箱ΔT₂^HV=42.4℃，比方案1的溫升下降了24.3℃，效果顯著。

為進一步提高其可靠性，又制定方案3。以方案2為基礎(chǔ)，在高壓油箱油箱外殼上焊散熱翅片。此時TWT溫升ΔT₃^TWT=50.1℃≤70℃。而高壓油箱ΔT₃^HV=28.4℃，又有了進一步改善，至此已滿足設(shè)計要求。具體方案變動如圖4、圖5和圖6。

 

從圖7開始為方案3各種溫度云圖和速度矢量圖及簡要說明。

周圍環(huán)境溫度為20℃，則X對象的溫升為ΔT_X= T_X- 20(℃)。

 

 

圖8 TWT的溫度分布與圖7高壓油箱的溫度分布截然不同，呈現(xiàn)劇烈的溫差，最大不平衡處相差34.1℃。所以方案2和3將TWT的發(fā)熱集中端掉頭至遠離高壓油箱處，避免高熱區(qū)集中。

 

    圖9和圖10形象地反應(yīng)了機柜通風系統(tǒng)的速度矢量分布。該剖面通過了4個風機，其中3個同處一個通風系統(tǒng)。以圖10說明，風從底蓋前斜置風機和前上正置風機出發(fā)，流過高壓油箱，由底蓋后斜置風機吹向機柜外。這樣設(shè)計，保證了高壓油箱表面的風速較高，較好地控制了高壓油箱的溫升。

 

 

    圖11和圖12表示了TWT的熱控制狀況。圖11中的TWT散熱器兩端風機及散熱器翅片間隙組成了一個封閉的通風系統(tǒng)，風從TWT低溫區(qū)吹向高溫區(qū)。TWT進風風機與機柜進風風機靠近，如圖1和圖2，避免兩個通風系統(tǒng)的進風短路。圖12的剖面穿過了TWT的最高溫區(qū)。熱量由TWT中心到底板、散熱器基板、翅片，直至翅片間隙的空氣中，由風速高達8.7m/s的氣流帶走。由于在風量風壓足夠的前提下，采用了翅片，為散熱器提供了較大的散熱面積。所以用風冷方式可以解決冷卻問題，避免采用水冷方式，從而使系統(tǒng)更加簡單可靠，大大降低了成本。

4 結(jié)論

通過以上熱控制方案的篩選和優(yōu)化，我們確信計算機熱輔助分析方法確實為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計師提供了熱設(shè)計方面的重要參考。它取代了以往經(jīng)驗公式加模擬試驗的繁瑣方法，最終提高產(chǎn)品可靠性，降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品定型與上市時間。

 

參考文獻

 

[1] 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.江蘇科學技術(shù)出版社.1982

[2] 陶文銓.數(shù)值傳熱學.西安交通大學出版社.1995.12

[3] Icepak 3.2 User’s Guide . October 2000

 Icepak資料下載:  FLUENT第一屆中國用戶大會論文集33-40.pdf

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