Icepak在計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈艷麗

（北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理進(jìn)路內(nèi)的道岔、信號機(jī)、軌道電路之間安全聯(lián)鎖關(guān)系，接受ATS或操作員的控制指令，向ATP、ATS輸出聯(lián)鎖信息。為確保行車安全，在地下鐵道的有岔站、車輛段和大鐵沿線各個(gè)車站，必須設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備。計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖是地鐵信號系統(tǒng)的安全核心，對提高地鐵運(yùn)營效率、自動(dòng)化程度、管理水平以及減少行車指揮調(diào)度人員的工作強(qiáng)度具有最直接的影響。

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)作為一款電子設(shè)備系統(tǒng)，隨著電子技術(shù)水平的高速發(fā)展，提高其性能和可靠性，成了設(shè)計(jì)的主要方向，而溫度問題是提高電子產(chǎn)品可靠性最重要的原因之一。

2 Icepak軟件功能及特點(diǎn)介紹

Icepak軟件是面向熱產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析工程師的軟件，采用熱設(shè)計(jì)分析所專用的機(jī)柜、風(fēng)扇、印刷電路板、阻尼和通風(fēng)口等模型。建模過程快捷，網(wǎng)格生成與計(jì)算都是自動(dòng)進(jìn)行的。整個(gè)軟件采用統(tǒng)一集成化的環(huán)境界面。

Icepak作為專業(yè)的熱分析軟件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的各個(gè)階段，Icepak都可以幫助客戶優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)級、組件級、封裝級不同類型問題。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1）建模快速，具有多種模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫、各種形狀的幾何模型。

2）自動(dòng)網(wǎng)格生成，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。

3）廣泛的模型能力，擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括流動(dòng)模型和傳熱模型。

4）解算功能，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）求解器。

5）可視化后置處理。

3 計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)仿真

3.1 問題描述和分析

該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)站由3個(gè)機(jī)柜組成，機(jī)柜為600×800×2250，無風(fēng)扇自然散熱系統(tǒng)。原始方案中后門底部為進(jìn)風(fēng)口，后門中上部和頂部為出風(fēng)口，同時(shí)左右側(cè)門也開通風(fēng)孔，且機(jī)柜頂部有一個(gè)風(fēng)扇安裝備板。

根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注聯(lián)鎖機(jī)柜中PCB的溫度分布。聯(lián)鎖機(jī)柜中上部安裝兩個(gè)邏輯部機(jī)籠，下部安裝兩個(gè)輸入機(jī)籠。通過對溫度的監(jiān)測，突出問題有兩個(gè)。

1）輸入機(jī)籠中I/O電源板電源模塊散熱片溫度過高。

2）邏輯部機(jī)籠中聯(lián)鎖CPU板PC104芯片溫度過高。

3.2 解決方案

通過Icepak軟件對聯(lián)鎖機(jī)柜進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真，需要了解機(jī)柜中發(fā)熱元件的溫度情況，根據(jù)溫度情況評估設(shè)計(jì)方案的合理性。實(shí)際仿真過程中考慮各種能夠降低溫度的措施，針對仿真結(jié)果確定哪些措施真正有效，哪些措施效果不明顯。

根據(jù)本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與溫度分布分析，具體措施應(yīng)該考慮改善機(jī)柜風(fēng)道和優(yōu)化模塊散熱片。

3.2.1 風(fēng)道改進(jìn)

首先根據(jù)原始方案和各種整改方案分別建立仿真，對比仿真結(jié)果，確定有效風(fēng)道整改方法如下。

1）去除機(jī)柜頂部的風(fēng)扇安裝備板。

2）將機(jī)柜頂部通風(fēng)孔前移，且通風(fēng)率優(yōu)化為0.6。

3）機(jī)籠的上下蓋板通風(fēng)率優(yōu)化為0.75。

4）機(jī)柜側(cè)面的通風(fēng)孔去除。

整改后結(jié)果如圖1、2所示。由圖1和圖2比較可見，整改后氣流明顯流暢，且流速有增大，利于熱量散出。

3.2.2 散熱片的優(yōu)化

I/O電源板電源模塊散熱片，是設(shè)計(jì)加工的鋁質(zhì)散熱片，使用Icepak優(yōu)化公式方法，并考慮實(shí)際加工與線路板的布局，得到最佳方案：散熱片尺寸為1551×114×10.5，內(nèi)部齒厚1 mm，齒間距均為1.6 mm，且為了增大散熱面積，齒側(cè)需加工凹槽。

PC104芯片散熱片為外購標(biāo)準(zhǔn)件，可以優(yōu)化部分較少，最后方案：聯(lián)鎖CPU板PC104芯片散熱片底座尺寸由3 mm改為5 mm，散熱片高度由7 mm改為15 mm，加大散熱片的散熱面積。

3.2.3 仿真結(jié)果

綜合風(fēng)道整改和散熱片優(yōu)化，整改的仿真結(jié)果如圖3所示。

3.3 實(shí)際整改結(jié)果

根據(jù)仿真方案對真實(shí)設(shè)備進(jìn)行整改，整改前后在相同的工作狀態(tài)下，分別用熱相儀拍攝實(shí)際線路板的溫度分布。

因整改前后測量的環(huán)境溫度相差約4℃，所以實(shí)際整改效果需考慮這個(gè)溫度差。

整改結(jié)果如圖4所示，聯(lián)鎖1系CPU板溫度約17.6℃,考慮測試時(shí)環(huán)境溫度的因素，實(shí)際約降低13.6℃。I/O電源板溫度下降約24.3℃,考慮測試時(shí)環(huán)境溫度的因素，實(shí)際約降低20.3℃。

4 小結(jié)

綜上所述，本文通過對計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)采用Icepak軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真，并對散熱片進(jìn)行優(yōu)化，充分體現(xiàn)了Icepak軟件在熱設(shè)計(jì)應(yīng)用上的優(yōu)越性。通過仿真結(jié)果及實(shí)際實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證情況對比，證明計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠,大大減小了熱設(shè)計(jì)的難度，提高了工作效率，減少了設(shè)計(jì)反復(fù)，從而達(dá)到了縮短研制周期，降低成本的目的。

[1]陳潔茹，朱敏波，齊穎.Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]，電子機(jī)械工程，2005（1）：14-16