劉玉綿

中國電子科技集團公司第五十四所，河北 石家莊 050081

0 引言

隨著電子設備的小型化，熱流密度越來越大，給散熱帶來一定難度，傳統(tǒng)設計電子設備機箱的方法是根據(jù)指標要求和工程經驗設計出樣品，加工完成后用于實踐檢驗，然后根據(jù)反饋的問題進行改進，從而得到最優(yōu)化設計。現(xiàn)提出一種預設計方案，利用Icepak軟件首先對要設計的目標進行熱設計仿真，通過仿真獲得合理散熱方式的最佳方案。尤其對于復雜熱環(huán)境，高密度組件情況，仿真軟件的應用更是一種很好的設計輔助手段，使散熱效能最大化，從而提高電子設備的可靠性。

1 問題描述

對要設計的機箱要求參數(shù)如下:1）機箱外形尺寸為:262mm×262mm×100mm的封閉鋁制箱體；2）內部包含有:收發(fā)模塊、功放模塊、隔離器、電源、數(shù)個熱源；3）各部分不同的熱耗分布，總熱耗為28W；4）工作環(huán)境溫度為55℃，模塊最大允許溫度85℃；5）機箱采用自然對流的散熱方式，原模型無散熱齒，優(yōu)化后模型增加散熱齒片，借助仿真給出多個參數(shù)，進行機箱散熱器結構的優(yōu)化。

2 仿真設計過程

Icepack求解的一般過程:項目命名—建立模型-確定初始參數(shù)-網格劃分-網格檢查-校核流態(tài)-問題求解-仿真結果。

3 建立模型

使用Icepak軟件，建立自然散熱模型，通過軟件的cabinet、wall、block和source等命令，分別設定為機箱的計算域、機箱腔體、電源單元模塊、收信和發(fā)信單元模塊、功放單元模塊等、散熱器、熱源，并給出各部分外廓及位置尺寸、材質、熱耗等參數(shù)，建立完成機箱模型后進行簡化模型，其中熱源主要加在收發(fā)、電源和功放單元模塊上，隔離器等其他模塊因耗散熱極小，為簡化模型加快計算速度，在這些器件上添加簡化為圓熱源。圖1 為該設備的Icepak熱分析模型。

4 自然散熱時計算域的設定

在自然對流散熱情況下，設機箱的三維模型cabinet最大尺寸為:1）Y軸向上方向，cabinet邊界距離機箱模型外壁距離設為220mm(間距大于2倍機箱高度，機箱高度L=100mm）；2）重力Y軸向下方向，cabinet邊界距離機箱模型外壁距離設為120mm， （浮力下方空間大于機箱高度）；3）其它四個方向與離機箱模型外壁的距離設為150mm，（大于倍的機箱長和寬，機箱長、寬為262mm。

對自然對流散的cabinet六個面都設置成opening，opening的物性設置采用使用環(huán)境溫度作為溫度邊界。

圖1 設備的Icepak熱分析模型

5 設定模型的其它相關參數(shù)

模型建立中，在參數(shù)面板設置初始條件和邊界條件。

主要條件和參數(shù)如下:1）氣流:穩(wěn)態(tài)、紊流；2）流體:空氣；3）機箱:鋁合金；4）對此室外機箱考慮太陽輻射和地球引力的影響，機箱各部件加入輻射、重力影響；5）環(huán)境空氣溫度按設備使用條件設置為＋55℃；6）電源單元模塊、收發(fā)單元模塊、功放單元模塊等各單元模塊熱耗分別設置為39個熱源 :Sources1 至 Sources39 的熱耗分別為 :0.195、0.11、0.12、1.25、0.4、0.12、0.12、0.26、8.5、0.4、0.2、0.2、0.29、1.15、0.16、0.1、0.1、0.05、0.4、0.35、0.9、0.68、0.1、0.3、0.4、0.54、0.76、0.4、0.4、0.25、0.25、0.3、2.5、1、0.3、0.38、0.9、0.2、0.6。

6 網格劃分

盡量采用粗網格劃分空間，采用O-Grid使網格從350萬減少到217萬，采用Shell薄板模型大幅度減少網格。

首先，檢查各模型網格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格數(shù)。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，必須有足夠的網格數(shù)才能保證此處的分析精度。

7 網格的質量檢查

經過檢查，發(fā)現(xiàn)機殼外殼網格太少。如圖3所示。所以在Per-object meshing parameters面板中，選擇外殼、散熱器翅片，打開Use per-object parameters選項，給這幾處網格局部加密，見修正前、后的網格圖，圖示2，網格足夠多，最終滿足了要求。

圖2 修正前、修正后網格圖

8 計算求解過程

先檢查氣流雷諾數(shù)、普朗特數(shù)，設置迭代100步，采用迭代法，最后進入計算，執(zhí)行計算命令后，迭代次數(shù)超過100次時，殘差曲線已經完全收斂，結束計算。

圖3 迭代步數(shù)和計算后殘差曲線圖

9 優(yōu)化方案

圖4 優(yōu)化后模型圖及溫度分布圖

對求解結果分析，再進行參數(shù)修改，增加散熱齒，改變散熱齒距，重復計算求解過程，計算出厚度、肋間距、肋高為不同數(shù)值時機箱最高模塊溫度的結果。機箱無散熱齒時，最高模塊溫度是112.1℃；齒間距為6mm時，最高模塊溫度是83.93℃；齒間距為7mm時，最高模塊溫度是80.4℃；齒間距為8mm時，最高模塊溫度是84.85℃；齒間距為10mm時，最高模塊溫度是91.62℃。

比較結果并結合單位的實際加工工藝方法可以確定，在設備內器件（Sources9）最高溫度達到80.4℃時（圖4所示），機殼和機殼蓋上熱模塊對應部分肋高為11mm，肋厚為1.5mm，肋間距為7mm，是較合理的設計方案。若齒間距減小，散熱面積雖然增大，但風阻變大，而模塊之間的溫差增大，將對散熱不利。

最后在建立整個系統(tǒng)模型的基礎上，根據(jù)系統(tǒng)的求解結果，比較清楚的了解散熱器所處的環(huán)境，然后再單獨求解散熱器的參數(shù)，進一步優(yōu)化使散熱器散熱達到最佳狀態(tài)，優(yōu)化后確定機箱外形尺寸為:262mm×262mm×120mm的封閉鋁制箱體，上下端蓋全部為散熱齒，將齒間距定為7mm。最后設備使用后，經測試與仿真相吻合，效果良好。

10 結論

大功率電子設備的散熱設計比較復雜，應用Icepak軟件，可以驗證熱設計方案的可行性和正確性，減少了重復設計，提高了設計效率，大大節(jié)約了制造成本。通過分析模擬、計算出的結果圖，設備工作時的熱量及溫度分布情況相當直觀，完全依靠自然散熱達到了設計要求，使電子設備機箱最簡化，繼而對設計者在之后的結構設計中有很大的參考價值?？梢姛嵩O計仿真在電子設備熱設計中發(fā)揮著不可或缺的作用。

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