热控分析软件ICEPAK在某电子设备热设计中的应用

谢军   蒲小兵

西安电子工程研究所

 

   【摘要】本文以某电子设备收发系统热控方案的设计为出发点，阐述了热控分析软件ICEPAK在电子设备热控制方面的具体应用，并介绍了一些应用经验。

   【关键词】热控制 热分析 热仿真

1 前言

电子设备中的各种元件的故障率    往往随着自身温度的升高而成指数关系变化，为了提高电子设备的可靠性，在进行电子设备结构设计时，必须采取有效的热控制措施，以降低各种元件尤其是大功耗器件的温度。

某电子设备机柜如图1、图2所示，箱体内划分为左右两部分。左边为频综模块和接收模块，右边为高压变换单元和高压油箱。前面横置TWT。底部开盖，前后有45°倒角。在底盖内装有控制盒和3种电源模块。该电子设备的设计难点：（1）空间狭小，分系统多。（2）局部单元热耗大，如高压油箱和TWT等，系统要求采用强迫风冷。

 

2 分析说明

基于以上条件，我们采用热控分析软件ICEPAK来解决该项目的热设计问题。ICEPAK是以有限体积法为求解器的新一代热设计仿真软件。它可以模拟真实的温度场、压力场和流速场，帮助设计师确定合理优化的方案，提高产品质量、降低成本。特别在以流体流动为重点的设计中，更能发挥出有限体积法的优势和便捷。

     计算机热辅助分析方框图如图3。

2.1建模

依据软件建模特征中的的一些特点，我们在底盖前后补全了倒角，使之从外观上近似于一个正六面体机柜，并增加了2个Vent特征，保证了底盖倒角处气流流向与流速不受影响。

该设计方案中许多建模特征都为45°斜置，包括Fan、Plate、Vent和Wall。由于有限体积法在边界方正及区域内部单一的情况下有较好的解算精度和易收敛性，所以Fan都用了矩形风机来取代圆形轴流风机。

在底盖中部，放置了一个薄的传导型Plate，穿过控制盒和电源模块1，将机柜中下部分成前后两大部分，形成了通风系统，控制低温度的进风首先流过高压油箱表面，然后经并联的风机带出机柜。图1中蓝红箭头表示风机流向。

另外，由TWT散热器的两端风机一进一出，也形成了独立的通风系统，专用于大热量高功耗的TWT散热。

 2.2网格划分

尽量采用粗网格划分空间。首先，检查各模型网格是否划分到真实几何体上以及逼近模型轮廓的程度。其次，检查实体模型间流体间隙是否有足够的网格数。这一步较关键，因为小的间隙再加上快的流速，其势函数与流函数有较大的梯度变化，必须有足够的网格数才能保证此处的分析精度。

经过检查，发现电源模块2、电源模块3网格变形，而且TWT散热器翅片间网格数不足2个。所以对这几处局部加密，最终满足了要求。此时，网格节点数99.4万（nodes），单元数约96.7万（elements）。

2.3定义热边界条件

风机特性参数（可以输入曲线或选用数据库中的风机）、进出口类型及透空率，各电子模块材料特性、耗散功率、环境温度及压力等等。输入时，各参数单位可由软件自动匹配。

2.4解算

启动Fluent求解器开始解算。迭代过程中若发现连续性方程、动量方程及能量方程有其一发散，立即停止解算。先检查所有模型空间位置，网格质量和热边界条件，杜绝所有幼稚型错误，最后调整松弛因子。反复检查，直到收敛为止。

2.5后处理 

该功能直观地显示诸如最高温度，流速及温度场分布等数据，从而帮助设计和分析人员迅速了解和评估设计方案，决定是否需要修改设计模型，以便得到更为合理的设计方案。

3 方案优化

本项目的初始方案依据以往产品的设计经验而制定，即为方案1。经过ICEPAK软件分析后，发现TWT符合温度要求：ΔT₁^TWT=42.8℃≤70℃。而高压油箱ΔT₁^HV=66.7℃，温升较高，不符合使用要求。

修改设计，得到方案2。即将2个进口百叶窗换为2个风机。同时，将TWT的发热集中端掉头至远离高压油箱处。此时TWT温升ΔT₂^TWT=49.7℃≤70℃。而高压油箱ΔT₂^HV=42.4℃，比方案1的温升下降了24.3℃，效果显著。

为进一步提高其可靠性，又制定方案3。以方案2为基础，在高压油箱油箱外壳上焊散热翅片。此时TWT温升ΔT₃^TWT=50.1℃≤70℃。而高压油箱ΔT₃^HV=28.4℃，又有了进一步改善，至此已满足设计要求。具体方案变动如图4、图5和图6。

 

从图7开始为方案3各种温度云图和速度矢量图及简要说明。

周围环境温度为20℃，则X对象的温升为ΔT_X= T_X- 20(℃)。

 

 

图8 TWT的温度分布与图7高压油箱的温度分布截然不同，呈现剧烈的温差，最大不平衡处相差34.1℃。所以方案2和3将TWT的发热集中端掉头至远离高压油箱处，避免高热区集中。

 

    图9和图10形象地反应了机柜通风系统的速度矢量分布。该剖面通过了4个风机，其中3个同处一个通风系统。以图10说明，风从底盖前斜置风机和前上正置风机出发，流过高压油箱，由底盖后斜置风机吹向机柜外。这样设计，保证了高压油箱表面的风速较高，较好地控制了高压油箱的温升。

 

 

    图11和图12表示了TWT的热控制状况。图11中的TWT散热器两端风机及散热器翅片间隙组成了一个封闭的通风系统，风从TWT低温区吹向高温区。TWT进风风机与机柜进风风机靠近，如图1和图2，避免两个通风系统的进风短路。图12的剖面穿过了TWT的最高温区。热量由TWT中心到底板、散热器基板、翅片，直至翅片间隙的空气中，由风速高达8.7m/s的气流带走。由于在风量风压足够的前提下，采用了翅片，为散热器提供了较大的散热面积。所以用风冷方式可以解决冷却问题，避免采用水冷方式，从而使系统更加简单可靠，大大降低了成本。

4 结论

通过以上热控制方案的筛选和优化，我们确信计算机热辅助分析方法确实为电子设备结构设计师提供了热设计方面的重要参考。它取代了以往经验公式加模拟试验的繁琐方法，最终提高产品可靠性，降低产品成本，缩短产品定型与上市时间。

 

参考文献

 

[1] 电子设备结构设计原理.江苏科学技术出版社.1982

[2] 陶文铨.数值传热学.西安交通大学出版社.1995.12

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

 Icepak资料下载:  FLUENT第一届中国用户大会论文集33-40.pdf

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