劉玉綿

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四所，河北 石家莊 050081

0 引言

隨著電子設(shè)備的小型化，熱流密度越來(lái)越大，給散熱帶來(lái)一定難度，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)電子設(shè)備機(jī)箱的方法是根據(jù)指標(biāo)要求和工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出樣品，加工完成后用于實(shí)踐檢驗(yàn)，然后根據(jù)反饋的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，從而得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)。現(xiàn)提出一種預(yù)設(shè)計(jì)方案，利用Icepak軟件首先對(duì)要設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真，通過(guò)仿真獲得合理散熱方式的最佳方案。尤其對(duì)于復(fù)雜熱環(huán)境，高密度組件情況，仿真軟件的應(yīng)用更是一種很好的設(shè)計(jì)輔助手段，使散熱效能最大化，從而提高電子設(shè)備的可靠性。

1 問(wèn)題描述

對(duì)要設(shè)計(jì)的機(jī)箱要求參數(shù)如下:1）機(jī)箱外形尺寸為:262mm×262mm×100mm的封閉鋁制箱體；2）內(nèi)部包含有:收發(fā)模塊、功放模塊、隔離器、電源、數(shù)個(gè)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(jī)箱采用自然對(duì)流的散熱方式，原模型無(wú)散熱齒，優(yōu)化后模型增加散熱齒片，借助仿真給出多個(gè)參數(shù)，進(jìn)行機(jī)箱散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2 仿真設(shè)計(jì)過(guò)程

Icepack求解的一般過(guò)程:項(xiàng)目命名—建立模型-確定初始參數(shù)-網(wǎng)格劃分-網(wǎng)格檢查-校核流態(tài)-問(wèn)題求解-仿真結(jié)果。

3 建立模型

使用Icepak軟件，建立自然散熱模型，通過(guò)軟件的cabinet、wall、block和source等命令，分別設(shè)定為機(jī)箱的計(jì)算域、機(jī)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(zhì)、熱耗等參數(shù)，建立完成機(jī)箱模型后進(jìn)行簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型加快計(jì)算速度，在這些器件上添加簡(jiǎn)化為圓熱源。圖1 為該設(shè)備的Icepak熱分析模型。

4 自然散熱時(shí)計(jì)算域的設(shè)定

在自然對(duì)流散熱情況下，設(shè)機(jī)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(jī)箱模型外壁距離設(shè)為220mm(間距大于2倍機(jī)箱高度，機(jī)箱高度L=100mm）；2）重力Y軸向下方向，cabinet邊界距離機(jī)箱模型外壁距離設(shè)為120mm， （浮力下方空間大于機(jī)箱高度）；3）其它四個(gè)方向與離機(jī)箱模型外壁的距離設(shè)為150mm，（大于倍的機(jī)箱長(zhǎng)和寬，機(jī)箱長(zhǎng)、寬為262mm。

對(duì)自然對(duì)流散的cabinet六個(gè)面都設(shè)置成opening，opening的物性設(shè)置采用使用環(huán)境溫度作為溫度邊界。

圖1 設(shè)備的Icepak熱分析模型

5 設(shè)定模型的其它相關(guān)參數(shù)

模型建立中，在參數(shù)面板設(shè)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(jī)箱:鋁合金；4）對(duì)此室外機(jī)箱考慮太陽(yáng)輻射和地球引力的影響，機(jī)箱各部件加入輻射、重力影響；5）環(huán)境空氣溫度按設(shè)備使用條件設(shè)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(shè)置為39個(gè)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(wǎng)格劃分

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

首先，檢查各模型網(wǎng)格劃分到真實(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)。因?yàn)樾〉拈g隙再加上快的流速，其勢(shì)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。

7 網(wǎng)格的質(zhì)量檢查

經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)殼外殼網(wǎng)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(kāi)Use per-object parameters選項(xiàng)，給這幾處網(wǎng)格局部加密，見(jiàn)修正前、后的網(wǎng)格圖，圖示2，網(wǎng)格足夠多，最終滿(mǎn)足了要求。

圖2 修正前、修正后網(wǎng)格圖

8 計(jì)算求解過(guò)程

先檢查氣流雷諾數(shù)、普朗特?cái)?shù)，設(shè)置迭代100步，采用迭代法，最后進(jìn)入計(jì)算，執(zhí)行計(jì)算命令后，迭代次數(shù)超過(guò)100次時(shí)，殘差曲線(xiàn)已經(jīng)完全收斂，結(jié)束計(jì)算。

圖3 迭代步數(shù)和計(jì)算后殘差曲線(xiàn)圖

9 優(yōu)化方案

圖4 優(yōu)化后模型圖及溫度分布圖

對(duì)求解結(jié)果分析，再進(jìn)行參數(shù)修改，增加散熱齒，改變散熱齒距，重復(fù)計(jì)算求解過(guò)程，計(jì)算出厚度、肋間距、肋高為不同數(shù)值時(shí)機(jī)箱最高模塊溫度的結(jié)果。機(jī)箱無(wú)散熱齒時(shí)，最高模塊溫度是112.1℃；齒間距為6mm時(shí)，最高模塊溫度是83.93℃；齒間距為7mm時(shí)，最高模塊溫度是80.4℃；齒間距為8mm時(shí)，最高模塊溫度是84.85℃；齒間距為10mm時(shí)，最高模塊溫度是91.62℃。

比較結(jié)果并結(jié)合單位的實(shí)際加工工藝方法可以確定，在設(shè)備內(nèi)器件（Sources9）最高溫度達(dá)到80.4℃時(shí)（圖4所示），機(jī)殼和機(jī)殼蓋上熱模塊對(duì)應(yīng)部分肋高為11mm，肋厚為1.5mm，肋間距為7mm，是較合理的設(shè)計(jì)方案。若齒間距減小，散熱面積雖然增大，但風(fēng)阻變大，而模塊之間的溫差增大，將對(duì)散熱不利。

最后在建立整個(gè)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的求解結(jié)果，比較清楚的了解散熱器所處的環(huán)境，然后再單獨(dú)求解散熱器的參數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化使散熱器散熱達(dá)到最佳狀態(tài)，優(yōu)化后確定機(jī)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(shè)備使用后，經(jīng)測(cè)試與仿真相吻合，效果良好。

10 結(jié)論

大功率電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，應(yīng)用Icepak軟件，可以驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性，減少了重復(fù)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，大大節(jié)約了制造成本。通過(guò)分析模擬、計(jì)算出的結(jié)果圖，設(shè)備工作時(shí)的熱量及溫度分布情況相當(dāng)直觀，完全依靠自然散熱達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，使電子設(shè)備機(jī)箱最簡(jiǎn)化，繼而對(duì)設(shè)計(jì)者在之后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有很大的參考價(jià)值?？梢?jiàn)熱設(shè)計(jì)仿真在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中發(fā)揮著不可或缺的作用。

[1]梁斌，陳志剛.某機(jī)載雷達(dá)天線(xiàn)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2011，1.

[2]黃夢(mèng)彬.一種強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)柜的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2006，2.

[3]吳躍剛，陳敏.Ku頻段衛(wèi)星通信背負(fù)站的結(jié)構(gòu)小型化設(shè)計(jì)[J].通信與廣播電視，2004，4.

[4]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.