熱控分析軟件ICEPAK在某電子設備熱設計中的應用

謝軍   蒲小兵

西安電子工程研究所

 

   【摘要】本文以某電子設備收發系統熱控方案的設計為出發點，闡述了熱控分析軟件ICEPAK在電子設備熱控制方面的具體應用，并介紹了一些應用經驗。

   【關鍵詞】熱控制 熱分析 熱仿真

1 前言

電子設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關系變化，為了提高電子設備的可靠性，在進行電子設備結構設計時，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。

某電子設備機柜如圖1、圖2所示，箱體內劃分為左右兩部分。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。在底蓋內裝有控制盒和3種電源模塊。該電子設備的設計難點：（1）空間狹小，分系統多。（2）局部單元熱耗大，如高壓油箱和TWT等，系統要求采用強迫風冷。

 

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計問題。ICEPAK是以有限體積法為求解器的新一代熱設計仿真軟件。它可以模擬真實的溫度場、壓力場和流速場，幫助設計師確定合理優化的方案，提高產品質量、降低成本。特別在以流體流動為重點的設計中，更能發揮出有限體積法的優勢和便捷。

     計算機熱輔助分析方框圖如圖3。

2.1建模

依據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域內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，控制低溫度的進風首先流過高壓油箱表面，然后經并聯的風機帶出機柜。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，專用于大熱量高功耗的TWT散熱。

 2.2網格劃分

盡量采用粗網格劃分空間。首先，檢查各模型網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格數。這一步較關鍵，因為小的間隙再加上快的流速，其勢函數與流函數有較大的梯度變化，必須有足夠的網格數才能保證此處的分析精度。

經過檢查，發現電源模塊2、電源模塊3網格變形，而且TWT散熱器翅片間網格數不足2個。所以對這幾處局部加密，最終滿足了要求。此時，網格節點數99.4萬（nodes），單元數約96.7萬（elements）。

2.3定義熱邊界條件

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

2.4解算

啟動Fluent求解器開始解算。迭代過程中若發現連續性方程、動量方程及能量方程有其一發散，立即停止解算。先檢查所有模型空間位置，網格質量和熱邊界條件，杜絕所有幼稚型錯誤，最后調整松弛因子。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據，從而幫助設計和分析人員迅速了解和評估設計方案，決定是否需要修改設計模型，以便得到更為合理的設計方案。

3 方案優化

本項目的初始方案依據以往產品的設計經驗而制定，即為方案1。經過ICEPAK軟件分析后，發現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，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的發熱集中端掉頭至遠離高壓油箱處，避免高熱區集中。

 

    圖9和圖10形象地反應了機柜通風系統的速度矢量分布。該剖面通過了4個風機，其中3個同處一個通風系統。以圖10說明，風從底蓋前斜置風機和前上正置風機出發，流過高壓油箱，由底蓋后斜置風機吹向機柜外。這樣設計，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，風從TWT低溫區吹向高溫區。TWT進風風機與機柜進風風機靠近，如圖1和圖2，避免兩個通風系統的進風短路。圖12的剖面穿過了TWT的最高溫區。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，從而使系統更加簡單可靠，大大降低了成本。

4 結論

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

 

參考文獻

 

[1] 電子設備結構設計原理.江蘇科學技術出版社.1982

[2] 陶文銓.數值傳熱學.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

標簽： 點擊： 評論: