基于Icepak軟件的電子設備機箱的優化設計

劉玉綿

中國電子科技集團公司第五十四所，河北 石家莊 050081

0 引言

隨著電子設備的小型化，熱流密度越來越大，給散熱帶來一定難度，傳統設計電子設備機箱的方法是根據指標要求和工程經驗設計出樣品，加工完成后用于實踐檢驗，然后根據反饋的問題進行改進，從而得到最優化設計。現提出一種預設計方案，利用Icepak軟件首先對要設計的目標進行熱設計仿真，通過仿真獲得合理散熱方式的最佳方案。尤其對于復雜熱環境，高密度組件情況，仿真軟件的應用更是一種很好的設計輔助手段，使散熱效能最大化，從而提高電子設備的可靠性。

1 問題描述

對要設計的機箱要求參數如下:1）機箱外形尺寸為:262mm×262mm×100mm的封閉鋁制箱體；2）內部包含有:收發模塊、功放模塊、隔離器、電源、數個熱源；3）各部分不同的熱耗分布，總熱耗為28W；4）工作環境溫度為55℃，模塊最大允許溫度85℃；5）機箱采用自然對流的散熱方式，原模型無散熱齒，優化后模型增加散熱齒片，借助仿真給出多個參數，進行機箱散熱器結構的優化。

2 仿真設計過程

Icepack求解的一般過程:項目命名—建立模型-確定初始參數-網格劃分-網格檢查-校核流態-問題求解-仿真結果。

3 建立模型

使用Icepak軟件，建立自然散熱模型，通過軟件的cabinet、wall、block和source等命令，分別設定為機箱的計算域、機箱腔體、電源單元模塊、收信和發信單元模塊、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、熱耗等參數，建立完成機箱模型后進行簡化模型，其中熱源主要加在收發、電源和功放單元模塊上，隔離器等其他模塊因耗散熱極小，為簡化模型加快計算速度，在這些器件上添加簡化為圓熱源。圖1 為該設備的Icepak熱分析模型。

4 自然散熱時計算域的設定

在自然對流散熱情況下，設機箱的三維模型cabinet最大尺寸為:1）Y軸向上方向，cabinet邊界距離機箱模型外壁距離設為220mm(間距大于2倍機箱高度，機箱高度L=100mm）；2）重力Y軸向下方向，cabinet邊界距離機箱模型外壁距離設為120mm， （浮力下方空間大于機箱高度）；3）其它四個方向與離機箱模型外壁的距離設為150mm，（大于倍的機箱長和寬，機箱長、寬為262mm。

對自然對流散的cabinet六個面都設置成opening，opening的物性設置采用使用環境溫度作為溫度邊界。

圖1 設備的Icepak熱分析模型

5 設定模型的其它相關參數

模型建立中，在參數面板設置初始條件和邊界條件。

主要條件和參數如下:1）氣流:穩態、紊流；2）流體:空氣；3）機箱:鋁合金；4）對此室外機箱考慮太陽輻射和地球引力的影響，機箱各部件加入輻射、重力影響；5）環境空氣溫度按設備使用條件設置為＋55℃；6）電源單元模塊、收發單元模塊、功放單元模塊等各單元模塊熱耗分別設置為39個熱源 :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 網格劃分

盡量采用粗網格劃分空間，采用O-Grid使網格從350萬減少到217萬，采用Shell薄板模型大幅度減少網格。

首先，檢查各模型網格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。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。

7 網格的質量檢查

經過檢查，發現機殼外殼網格太少。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Use per-object parameters選項，給這幾處網格局部加密，見修正前、后的網格圖，圖示2，網格足夠多，最終滿足了要求。

圖2 修正前、修正后網格圖

8 計算求解過程

先檢查氣流雷諾數、普朗特數，設置迭代100步，采用迭代法，最后進入計算，執行計算命令后，迭代次數超過100次時，殘差曲線已經完全收斂，結束計算。

圖3 迭代步數和計算后殘差曲線圖

9 優化方案

圖4 優化后模型圖及溫度分布圖

對求解結果分析，再進行參數修改，增加散熱齒，改變散熱齒距，重復計算求解過程，計算出厚度、肋間距、肋高為不同數值時機箱最高模塊溫度的結果。機箱無散熱齒時，最高模塊溫度是112.1℃；齒間距為6mm時，最高模塊溫度是83.93℃；齒間距為7mm時，最高模塊溫度是80.4℃；齒間距為8mm時，最高模塊溫度是84.85℃；齒間距為10mm時，最高模塊溫度是91.62℃。

比較結果并結合單位的實際加工工藝方法可以確定，在設備內器件（Sources9）最高溫度達到80.4℃時（圖4所示），機殼和機殼蓋上熱模塊對應部分肋高為11mm，肋厚為1.5mm，肋間距為7mm，是較合理的設計方案。若齒間距減小，散熱面積雖然增大，但風阻變大，而模塊之間的溫差增大，將對散熱不利。

最后在建立整個系統模型的基礎上，根據系統的求解結果，比較清楚的了解散熱器所處的環境，然后再單獨求解散熱器的參數，進一步優化使散熱器散熱達到最佳狀態，優化后確定機箱外形尺寸為: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。最后設備使用后，經測試與仿真相吻合，效果良好。

10 結論

大功率電子設備的散熱設計比較復雜，應用Icepak軟件，可以驗證熱設計方案的可行性和正確性，減少了重復設計，提高了設計效率，大大節約了制造成本。通過分析模擬、計算出的結果圖，設備工作時的熱量及溫度分布情況相當直觀，完全依靠自然散熱達到了設計要求，使電子設備機箱最簡化，繼而對設計者在之后的結構設計中有很大的參考價值。可見熱設計仿真在電子設備熱設計中發揮著不可或缺的作用。

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