熱控分析軟件ICEPAK在某電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)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(jì)為出發(fā)點(diǎn)，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(yàn)。
【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(jìn)行電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)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(jì)難點(diǎn)：（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(qiáng)迫風(fēng)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(xiàng)目的熱設(shè)計(jì)問題。ICEPAK是以有限體積法為求解器的新一代熱設(shè)計(jì)仿真軟件。它可以模擬真實(shí)的溫度場、壓力場和流速場，幫助設(shè)計(jì)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(dòng)為重點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，更能發(fā)揮出有限體積法的優(yōu)勢和便捷。
計(jì)算機(jī)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(diǎn)，我們在底蓋前后補(bǔ)全了倒角，使之從外觀上近似于一個(gè)正六面體機(jī)柜，并增加了2個(gè)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(jì)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(fēng)機(jī)來取代圓形軸流風(fēng)機(jī)。
在底蓋中部，放置了一個(gè)薄的傳導(dǎo)型Plate，穿過控制盒和電源模塊1，將機(jī)柜中下部分成前后兩大部分，形成了通風(fēng)系統(tǒng)，控制低溫度的進(jìn)風(fēng)首先流過高壓油箱表面，然后經(jīng)并聯(lián)的風(fēng)機(jī)帶出機(jī)柜。圖1中藍(lán)紅箭頭表示風(fēng)機(jī)流向。
另外，由TWT散熱器的兩端風(fēng)機(jī)一進(jìn)一出，也形成了獨(dú)立的通風(fēng)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(shí)幾何體上以及逼近模型輪廓的程度。其次，檢查實(shí)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?yàn)樾〉拈g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(gè)。所以對(duì)這幾處局部加密，最終滿足了要求。此時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(fēng)機(jī)特性參數(shù)（可以輸入曲線或選用數(shù)據(jù)庫中的風(fēng)機(jī)）、進(jìn)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(shí)，各參數(shù)單位可由軟件自動(dòng)匹配。
2.4解算
啟動(dòng)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(dòng)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(cuò)誤，最后調(diào)整松弛因子。反復(fù)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(jì)和分析人員迅速了解和評(píng)估設(shè)計(jì)方案，決定是否需要修改設(shè)計(jì)模型，以便得到更為合理的設(shè)計(jì)方案。
3 方案優(yōu)化
本項(xiàng)目的初始方案依據(jù)以往產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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：ΔT1TWT=42.8℃≤70℃。而高壓油箱ΔT1HV=66.7℃，溫升較高，不符合使用要求。
修改設(shè)計(jì)，得到方案2。即將2個(gè)進(jìn)口百葉窗換為2個(gè)風(fēng)機(jī)。同時(shí)，將TWT的發(fā)熱集中端掉頭至遠(yuǎn)離高壓油箱處。此時(shí)TWT溫升ΔT2TWT=49.7℃≤70℃。而高壓油箱ΔT2HV=42.4℃，比方案1的溫升下降了24.3℃，效果顯著。
為進(jìn)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(shí)TWT溫升ΔT3TWT=50.1℃≤70℃。而高壓油箱ΔT3HV=28.4℃，又有了進(jìn)一步改善，至此已滿足設(shè)計(jì)要求。具體方案變動(dòng)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(duì)象的溫升為ΔTX= TX- 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(yuǎn)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(jī)柜通風(fēng)系統(tǒng)的速度矢量分布。該剖面通過了4個(gè)風(fēng)機(jī)，其中3個(gè)同處一個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)。以圖10說明，風(fēng)從底蓋前斜置風(fēng)機(jī)和前上正置風(fēng)機(jī)出發(fā)，流過高壓油箱，由底蓋后斜置風(fēng)機(jī)吹向機(jī)柜外。這樣設(shè)計(jì)，保證了高壓油箱表面的風(fēng)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(fēng)機(jī)及散熱器翅片間隙組成了一個(gè)封閉的通風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)從TWT低溫區(qū)吹向高溫區(qū)。TWT進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)與機(jī)柜進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)靠近，如圖1和圖2，避免兩個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)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(fēng)速高達(dá)8.7m/s的氣流帶走。由于在風(fēng)量風(fēng)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(fēng)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(jì)算機(jī)熱輔助分析方法確實(shí)為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提供了熱設(shè)計(jì)方面的重要參考。它取代了以往經(jīng)驗(yàn)公式加模擬試驗(yàn)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(shí)間。
參考文獻(xiàn)
[1] 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.1982
[2] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué).西安交通大學(xué)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(huì)論文集33-40.pdf
標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評(píng)論:
