Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
陳潔茹，朱敏波，齊穎
(西安電子科技大學(xué)， 陜西西安710071)
摘 要：在闡述電子設(shè)備熱分析重要性的同時(shí)，介紹了當(dāng)前流行的四種熱分析軟件，利用其中的Icepak軟件對(duì)某電子設(shè)備的機(jī)箱進(jìn)行了熱分析，并通過調(diào)整機(jī)箱的結(jié)構(gòu)分布及其散熱方式，使其滿足了熱設(shè)計(jì)要求。通過算例也顯示了Icepak軟件在電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性。
關(guān)鍵詞：熱設(shè)計(jì)；Icepak；電子設(shè)備；可靠性
中圖分類號(hào)：TP319；TK11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008—5300(2005)01—0014—03
Application of Icepak in the Thermal Design of an Electronic Device
CHEN Jieru，ZHU Minbo，QIYing
(Xidian University， Xi an 710071，China)
Abstract：The importance of thermal analysis of electronic device is discussed and a brief introduction to four popular therm al analysis softwares is given．Then，the overall process of thermal analysis of some electronicdevices with Icepak is shown in this paper．Through the analysis ，the configuration and the cooling system of the device are adjusted for fulfil the demands of thermal design．The advantages of Icepak in the thermal analysis of electronic products are also demonstrated．
Key words：therm al design；Icepak；electronic device；reliability
0 引 言
隨著電子設(shè)備復(fù)雜性的增加，如果各種發(fā)熱元件散發(fā)出來的熱量不能夠及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)造成熱量的積聚，從而導(dǎo)致各個(gè)元器件的溫度超過各自所能承受的極限，使得電子設(shè)備的可靠性大大降低。當(dāng)前，電子設(shè)備的主要失效形式之一就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備的失效有55％是溫度超過規(guī)定的值引起的。隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長趨勢(shì)。所以，熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)，在對(duì)工作溫度有較高要求的電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)。
1 常用熱分析軟件
當(dāng)前流行的熱設(shè)計(jì)軟件種類比較多，用的較多的主要有SINDA／G，ANSYS，F(xiàn)LOTHERM，ICEPAK。SINDA／G軟件主要用于溫度場(chǎng)和熱控制計(jì)算，是基于集總參數(shù)和熱阻一熱容節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，采用有限差分?jǐn)?shù)值方法設(shè)計(jì)開發(fā)的專業(yè)熱分析軟件，包括大量計(jì)算求解器、庫函數(shù)和開放式的用戶開發(fā)環(huán)境，具有很廣的應(yīng)用范圍。但是，由于它進(jìn)入中國的時(shí)間不算太長，所以到目前為止應(yīng)用群體還不是很廣泛。ANSYS是一個(gè)融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)為一體的大型通用有限元分析軟件，在熱分析功能方面，它除了分析獨(dú)立的溫度場(chǎng)以外，還具有多物理場(chǎng)耦合分析功能，允許在同一模型上進(jìn)行各種耦合計(jì)算，如熱一結(jié)構(gòu)耦合、甚至電一磁一流
體一熱耦合。但是，作為一個(gè)集多種分析于一體的大型通用軟件，它在熱分析方面的功能沒有像其它幾種軟件一樣專業(yè)，它不能擺脫對(duì)用戶相關(guān)知識(shí)的較高要求。應(yīng)用中，需要用戶具有很強(qiáng)的有限元和傳熱學(xué)方面的知識(shí)背景和對(duì)ANSYS軟件的比較深入的學(xué)習(xí)。
相比之下，F(xiàn)LOTHERM和ICEPAK在這方面顯示了專業(yè)熱分析軟件的優(yōu)越性。兩者都具有專業(yè)的流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的求解器，能夠分析各種流體狀態(tài)，同時(shí)，它們提供了電子設(shè)備熱分析中常見的所有組件，使得電子設(shè)備熱分析的建模非常簡單。這兩個(gè)軟件還為用戶提供了材料庫和風(fēng)扇庫等，用戶可以直接調(diào)用，同時(shí)，還可以往材料庫中添加用戶自定義的材料類型，以方便用戶的實(shí)際使用。ICEPAK軟件除了具有以上優(yōu)點(diǎn)之外，由于它所用的求解器為FLUNT求解器，還具有計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。
2 應(yīng)用實(shí)例：某電子設(shè)備機(jī)箱熱分析
下面給出了一個(gè)用ICEPAK軟件實(shí)現(xiàn)的電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)實(shí)例。通過這個(gè)算例，可以了解ICEPAK在電子設(shè)備熱分析中的具體應(yīng)用。
2．1 問題描述
模型中主要包括一個(gè)通風(fēng)道，l7個(gè)功放，兩個(gè)風(fēng)扇，四個(gè)達(dá)林頓管。其中原始模型的器件基本參數(shù)如下：
通風(fēng)道：材料為防銹鋁LF6；
功放：材料為硬鋁，發(fā)熱功率為37 W；達(dá)林頓管：發(fā)熱功率為100 W，容許的極限溫度為200℃ ：
風(fēng)扇：流量為21．9 L／S。

在整個(gè)機(jī)箱中，由于發(fā)熱元件很多，總的發(fā)熱功率達(dá)到1 066 W，在環(huán)境溫度為55cc，元件容許的最高溫度為85℃的情況下，單憑一個(gè)進(jìn)口風(fēng)機(jī)和一個(gè)出口風(fēng)機(jī)散熱，機(jī)箱中的溫度有可能會(huì)超過極限溫度。由于這些功放的價(jià)格比較昂貴，功放的溫度不能通過直接測(cè)量元件表面溫度獲得，而ICEPAK軟件恰好解決了這個(gè)難題。使用ICEPAK軟件可以在沒有實(shí)際樣機(jī)的情況下仿真模擬機(jī)箱中各個(gè)元件的發(fā)熱情況，找到危險(xiǎn)點(diǎn)。同時(shí)，還可以根據(jù)初步的計(jì)算結(jié)果，通過該軟件適當(dāng)調(diào)整計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)，提高機(jī)箱的散熱性能，使整個(gè)機(jī)箱中的元件溫度能控制在容許溫度之內(nèi)。
2．2 分析計(jì)算步驟
用ICEPAK實(shí)現(xiàn)該問題的計(jì)算及仿真的過程可分為五個(gè)基本步驟：設(shè)定問題參數(shù)、建立計(jì)算模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算、后處理。

2．2．1 問題參數(shù)的設(shè)定及模型的建立
問題的主要參數(shù)是流體狀態(tài)和環(huán)境溫度。通過ICEPAK軟件自動(dòng)計(jì)算得到的普朗特?cái)?shù)和雷利數(shù)可以確定流體類型為紊流。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置環(huán)境溫度、風(fēng)速、壓力等邊界條件，而輻射被忽略。
機(jī)箱的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡單，呈完全對(duì)稱分布，所以建模可以花很少的時(shí)間，只需建立四分之一，然后通過鏡像功能就可完成整體建模。機(jī)箱中達(dá)林頓管的的計(jì)算模型及其注示如圖3所示

由于通風(fēng)道的壁厚相對(duì)其長度比較小，所以在網(wǎng)格劃分時(shí)要對(duì)通風(fēng)道進(jìn)行較細(xì)的網(wǎng)格劃分，必須有足夠的網(wǎng)格數(shù)才能保證此處的分析精度。但是一味地追求網(wǎng)格細(xì)化會(huì)使網(wǎng)格數(shù)量劇增，使得求解時(shí)間大大增加，所以需要在滿足精度要求的情況下盡可能的減少網(wǎng)格數(shù)量。在該問題中，采用的是粗糙網(wǎng)格劃分，HEXAS數(shù)量為l 14 015，QUADS數(shù)量為29 957，NODES數(shù)量為120 361。
2．2．2 求解計(jì)算
啟動(dòng)Fluent求解器開始解算之前，要先設(shè)置求解殘留和迭代次數(shù)。在該算例中，默認(rèn)的殘留設(shè)置即可滿足迭代要求。一般情況下，只要在迭代過程中發(fā)現(xiàn)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程中有一個(gè)方程發(fā)散，就需要終止迭代，然后重新檢查模型及網(wǎng)格劃分，同時(shí)調(diào)整松弛因子，直至迭代收斂。
2．2．3 后處理
迭代收斂后，要想察看具體的溫度分布以及氣流分布等，就需要進(jìn)行后處理。ICEPAK具有強(qiáng)大的后處理功能。在該問題中，所要關(guān)心的主要是各個(gè)功放的溫度分布。對(duì)于達(dá)林頓管，盡管其發(fā)熱功率很大，但由于其本身具有良好的耐熱性能(耐200~C高溫)，所以不是問題的關(guān)鍵。通過后處理中的object face功能可以顯示整個(gè)模型的溫度分布，如圖4所示。
根據(jù)溫度分布圖顯示，在環(huán)境溫度為55℃的情況下，功放的最高溫度超出了設(shè)計(jì)的容許溫度(85℃)。
此時(shí)，必須調(diào)整機(jī)箱的結(jié)構(gòu)以改善其散熱性能。考慮到4個(gè)達(dá)林頓管的功率為400 W，僅憑兩個(gè)風(fēng)扇主動(dòng)散熱效果并不理想；而且，根據(jù)實(shí)際情況，機(jī)箱結(jié)構(gòu)以及通風(fēng)道已不能做尺寸調(diào)整．而達(dá)林頓管并不必放置于機(jī)箱中，所以，可以考慮將達(dá)林頓管從機(jī)箱中移去：
這樣，可以明顯地降低功放的溫度。此時(shí)，計(jì)算得到的功放最高溫度為143．05℃。
此時(shí)，雖然溫度已經(jīng)大大降低，但還是沒能滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到通風(fēng)道中的氣流由于接觸面積較小，故散熱性能并不好 因此，可以通過在通風(fēng)道中水平放置若干塊薄板，如圖5所示，以增大接觸面積。此時(shí)取薄板的厚度為0．5 n|m，間距為3．5 mm。

計(jì)算表明，在通風(fēng)道中添加了一系列薄板后，模型中的總體溫度分布大大降低，此時(shí)機(jī)箱中的最高溫度下降為88．5"C。可見，該結(jié)構(gòu)調(diào)整能有數(shù)地降低元件的溫度，大大增強(qiáng)了機(jī)箱的整體散熱性能。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步改變通風(fēng)道中的薄板厚度以及其間隔，使其發(fā)揮最優(yōu)的散熱性能 利用ICEPAK軟件提供的trims功能，將薄板的厚度參數(shù)設(shè)為變量，然后通過define trials給該變量賦一系列值，ICEPAK將同時(shí)計(jì)算出厚度為不同值時(shí)各種模型的求解結(jié)果。這一功能免去了反復(fù)修改模型參數(shù)的麻煩：通過比較不同厚度下的求解結(jié)果可以確定．薄板厚度為1 mm、問隔為3．0mm時(shí)達(dá)到結(jié)構(gòu)最優(yōu)，此時(shí)計(jì)算模型以及其溫度分布圖分別如圖5、圖6所示。

2．2 4 結(jié)果分析
通過對(duì)初始模型以及一系列修正模型的計(jì)算可以證明，不同的結(jié)構(gòu)將直接影響結(jié)構(gòu)中元件的溫度以及整個(gè)機(jī)箱的溫度分布：當(dāng)通風(fēng)道中的薄板厚度調(diào)整為I mm時(shí)，溫度降為86．98~C。由于計(jì)算采用的是絕對(duì)理想的狀態(tài)，即機(jī)箱對(duì)外界沒有任何熱量損失，而在實(shí)際工作狀態(tài)中，熱量的散失是不可避免的，因此，實(shí)際元件上的溫度要比計(jì)算得到的溫度稍低。可見此時(shí)的計(jì)算溫度已經(jīng)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論
上述一系列的機(jī)箱熱控方案的調(diào)整、篩選及優(yōu)化過程，完整的展現(xiàn)了利用ICEPAK軟件進(jìn)行電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過程，為電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供了參考。同時(shí)，也證明了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要將熱設(shè)計(jì)融人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩者兼顧，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮系統(tǒng)的散熱性能，而在熱設(shè)計(jì)中，要考慮結(jié)構(gòu)的工藝性，只有這樣，才能真正地提高產(chǎn)品的可靠性．縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)
[1] 方志強(qiáng)電子設(shè)備熱分析軟件應(yīng)用研究[J]．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，29(8)
[2] 唐興倫．ANSYS工程應(yīng)用教程熱與電磁學(xué)篇[M]．北京：中國鐵道出版社，2003．
[3] 謝德仁．電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M] 南京：東南大學(xué)出版社．1989
[4] 余建祖．電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M ．北京：北京航空航天大學(xué)出版杜，2003．
作者簡介：陳潔茹(1979一)，女，浙江人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備熱分析。
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