楊青

摘要：伴隨電子產品熱流密度不斷加大，熱仿真系統(tǒng)在熱設計方面的使用日益普遍。文章基于某緊湊型大功耗天線罩中設備的惡劣條件應用時的熱設計計算，分析了熱設計的具體思路和常規(guī)設計計劃，并詳細分析了Ⅰcepak系統(tǒng)在整個設計環(huán)節(jié)的使用情況，突出了Ⅰcepak系統(tǒng)在熱設計方面的關鍵性。

關鍵詞：Ⅰcepak系統(tǒng);電子產品;熱設計;運用分析

伴隨電子技術的不斷進步，電子元部件逐漸微型化，而功耗卻不斷提高，使部件與產品的熱流密度不斷加大。統(tǒng)計表明，電子設備異常有55%是由于冷卻系統(tǒng)設計不合理導致的。因此，熱設計時電子產品結構設計方面不能忽視的重要一環(huán)，科學的熱規(guī)劃可以有效提高電子元部件及設備的穩(wěn)定性。

1、概述

圖1 提出了依靠Ⅰcepak（實線）與傳統(tǒng)規(guī)劃（虛線）的兩類產品研發(fā)模式的對比。產品研發(fā)者利用Pro/E等大型3D CAD設計系統(tǒng)展開產品的3D設計，創(chuàng)建產品的仿真樣機，依靠Ⅰcepak的設備設計用于仿真樣機上的模擬替代了在物理樣機上的檢測，如此可以削減甚至去掉物理樣機的加工，明顯簡化開發(fā)流程，減少研發(fā)成本，提升設計效果。所以非常適用于物理樣機加工周期長、成本昂貴的繁瑣產品研發(fā)。

2、電子產品的散熱方式

2.1傳導

傳導是因為動能從一個分子移至另一個分子而造成的熱傳遞。傳導能夠在固體、液體和氣體中出現，其是在不透明固體內出現傳熱的唯一方式。針對電子產品，傳導是種非常關鍵的傳熱形式。

采用傳導實現散熱的方法包括：擴大接觸范圍、選取導熱系數高的物料、減小熱流通路、提升接觸面的表面性能、在接觸面加導熱脂和加導熱墊、接觸壓力平衡等。

2.2對流

對流屬于固體表面與流體表面之間傳熱的重要形式。對流包括自有對流與強迫對流，屬于電子產品常見的一種散熱形式。設備設計中提及的風冷散熱與水冷散熱均是對流散熱形式。

2.3輻射

輻射屬于在真空狀態(tài)下傳熱的唯一形式，其是量子由輻射體至吸收體的轉變。提升輻射散熱的辦法有：提升冷體黑度、加大輻射體和冷體檢的角值、擴大輻射范圍等。

3、Ⅰcepak軟件分析

3.1功能與特征

Ⅰcepak系統(tǒng)是專業(yè)的、面向項目師的電子設備熱控分析系統(tǒng)，能夠處理各種不同種類與尺度的熱流耦合虛擬問題，在航空與航天電子產品、通信、電氣、電源產品、通用電氣與家電等各個領域得到普遍使用。

Ⅰcepak系統(tǒng)的特征是：①創(chuàng)模迅速，具有多個模型直接接口、固有的模型庫、多種外形的幾何模型。②智能網格形成，采取非結構化網格科技，支撐四面體、六面體、柱體和混合網格種類[1]。③普遍的模型性能，具有客戶模擬環(huán)節(jié)所要的多種物理模型，涉及流動模型與傳熱模型。④解算作用，采取CFD求解器。⑤可視化后置加工。

3.2虛擬分析流程

1）依靠Ⅰcepak系統(tǒng)所提供的依靠對象的模型板塊對部件級、板級合系統(tǒng)級情況進行創(chuàng)模。

2）確定邊界條件，像熱流密度、導熱率以及傳熱值、初始溫度等運算時所需要的參量。

3）確定整個軟件的熱計算范圍。

4）確定各種材料的物理性質。

5）檢測模型與物體定義，對運算范圍實施網格分類，存儲形成的網格信息。

6）檢測氣流，在求解以前經過估算Reynolds與Peclet參量以明確用層流方式或者湍流方式。

7）利用Ⅰcepak求解器讀取存儲的網格信息，設置監(jiān)測點，開始求解。

8）檢查求解結果，借助Ⅰcepak的后處理性能來體現監(jiān)測點的每項參量曲線（如果都收斂，表示網格良好，求解結果有效）、速度向量切面、氣溫云圖和速度、溫度及壓力最高值等。

4、熱設計和虛擬計算

首先，根據自然散熱形式對產品的初始模型實施摸底計量，虛擬其發(fā)熱狀況，明確高溫部件的位置和最大溫度等，為后續(xù)的熱設計帶來借鑒依據。然后，依靠摸底計量的結果與產品的實際應用狀況展開熱設計。

4.1建立CFD模型

模型構建包含幾何大小、物性參量、邊界條件的設置，而物性參量包含材質、輻射、人員以及流動狀態(tài)。針對該產品，機箱箱體中的結構繁瑣，因此依靠Ⅰcepak導進CAD初始模型，基于此借助Ⅰcepak模型庫中的Cabinet、Block、Source及PCB分別設置機箱的運算域、蓋板、熱源以及PCB板。元部件數量多是該產品的一大特征，為簡化模型提高計算速度，對元部件展開了相應簡化[2]?；驹瓌t是每個模塊上只留下發(fā)熱量很大的部件，而忽視發(fā)熱量很小的部件，將這些發(fā)熱功耗等效地加于對應的PCB板上。根據自然散熱的情況設置邊界條件，流體是空氣。圖2是該產品的CFD模型。

4.2網格分類

網格分類是整個虛擬過程的關鍵環(huán)節(jié)，決定了計算結果的穩(wěn)定性。網格種類選取Hexahedral unstructured，依靠這一模型的熱功耗布局情況及結構性質，把電源模板、處理板及14路T/R通路分別創(chuàng)建為單獨的Assembly，建立非持續(xù)網格。在Global Setting內啟動Mesh Assemblies Separately選項對這幾個Assembly展開局域加密實現網格分類[3]。網格分類好后點擊Mesh control內的Quality選項，測試網格性能。Ⅰcepak包含四個網格性能判斷標準，而面對齊是最關鍵的判定標準，指最小單元值超過0.15就表示網格效果好，最小單元值小于0.05就表示網格不達標。點擊面對齊選項，呈現最小單元值超過0.15，所以網格效果良好，符合計算標準。網格分類情況見圖3。

4.3求解運算

模型求解之前要先展開氣流檢測，明確模型流態(tài)。當Re<2200時，流動狀態(tài)是層流;當Re>2200且Re>104時，流動狀態(tài)是層流過渡為紊流;當Re>104時，流動狀態(tài)是紊流。通過計算Re=1335.8，流程設定是層流，采取零方程模型。點擊solve進行計算，由于網格質量很高，模型殘差曲線迅速收斂。圖4是模型于自然對流條件下的溫度布局圖。

通過圖4得知，當環(huán)境溫度是60℃時，部件的最大溫度（108.99℃）超出了設計需要的極限值（85℃），同時機箱中的溫度都超過100℃，針對這種情況急需對模型采用科學的散熱方法。

4.4分析和規(guī)劃改進

經過對該產品的運行原理、應用條件以及周圍環(huán)境等分析能夠發(fā)展設備有如下幾類熱源：

（1）各元部件、PCB等在局限的密封空間內耗散許多熱量，進而導致很大的熱流密度;

（2）機箱中各功能PCB分布緊湊、間距很小且產生了疊層安裝現象，影響內部氣流流動;

（3）密封機箱經過倒流、對流與熱輻射的方式與周邊環(huán)境實現熱交轉。

針對類似該設備的現象，一般的散熱措施是：①增加散熱口;②添加散熱片;③添加風機實現強迫對流散熱;④提升機箱超外部的散熱性能。

參考文獻：

[1]王娟，楊剛，熊強.Ⅰcepak 在電子設備水冷熱設計中的應用[J].電子機械工程，2015，（6）：19-21.

[2]于德江，李振超，王歡.Ⅰcepak在電子設備熱設計中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2014，（23）：37-37，38.

[3]于德江 李振超 王歡.Ⅰcepak在電子設備熱設計中的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2014，0（23）.