基于ICEPAK的某型方艙散熱分析

王曉峰 劉琦 張秋冬

摘 要 本文針對方艙的散熱問題展開分析，以某型方艙為例，對其內部的熱量分布情況進行了計算，并根據計算結果對方艙進行了熱設計和熱仿真，仿真結果表明方艙內空調選型正確，可滿足使用要求。

【關鍵詞】方艙 icepak 熱分析

方艙以其具有較強機動性和環境適應性而受到越來越廣泛的應用。隨著科學技術的進步，方艙正在向模塊化、標準化、通用化和標準化方向發展。方艙可以根據不同的工作要求裝載適宜運輸的設備和相關操作人員，形成一套可以移動的系統，為了保證系統的正常運行，方艙內部需為設備和人員提供良好的工作環境。據統計55%的電子設備失效是由溫度過高引起的。隨著溫度的升高，元器件失效率呈指數增長。因此，對方艙內部進行熱分析具有重要意義。

1 方艙布局

本次分析的方艙由中間隔斷分割為兩部分，前部為設備艙，后部為工作艙。

如圖1所示，設備艙主要放置三臺機柜、一扇門和空調出入風口。工作艙主要放置一張會議桌、三把會議椅、兩把車壁折疊椅和四扇窗戶。整個艙頂部設置風道。隔斷高度低于空調風道高度，方便空調回風。

2 方艙熱功率

本次分析的方艙內的主要發熱元件集中在3臺機柜內，機柜1、機柜2、機柜3的功率如表1、表2、表3所示，設備的功耗約有30%能量轉化為熱能。

3 散熱設計

3.1 環境參數

本次分析的方艙需保證在環境溫度為40℃的情況下，30min內應將車內溫度降低到不高于30℃。

3.2 熱源分析

本次分析的方艙熱源主要集中在設備艙中，安裝在機柜上的系統電子設備耗散出很大的熱量，特別是高頻設備，散熱量集中。另外，當方艙野外露天使用時，在太陽輻射下，方艙表面溫度升高，雖然艙壁內有斷熱橋和隔熱材料，但是長時間照射后還是會使艙內溫度升高，惡化工作環境。

3.3 空調降溫能力

采用空調制冷降溫是目前降溫的唯一選擇，因此空調的降溫能力是整車能否達到高溫環境要求的關鍵，按照要求在環境溫度為40℃的情況下，30min內應將車內溫度降低到不高于30℃，下面根據這一要求就本車測試艙降溫能力進行估算。

方艙熱傳導所需的耗冷量：

P1=K·S（T1-T2）=2×76.98×（40-30）=1539.6（W）

式中：

方艙熱傳導系數：K=2W/m2·℃；

方艙表面積：S=76.98m2；

環境溫度：T1=40℃；

車內需降到的溫度：T2=30℃。

方艙內電子設備的散熱量：

方艙內電子設備包括各種電子設備、計算機等，其散出的熱量可按下式計算：

P2=n1×n2×n3×n4×N

式中：

N——各電子設備最大輸入功率總和，取N=3430W；

n1——安裝系數（設計功率與安裝功率之比），設為0.8；

n2——負荷系數（平均功率與設計功率之比），設為0.7；

n3——同時使用系數，一般取0.7；

n4——蓄熱系數，一般取0.8。

則P2=0.8×0.7×0.7×0.8×3430≈1075（W）。

方艙內工作人員人體散熱量P3=n.q=5×145=725（W）；

式中：

n為工作廂內工作人員的數量；

q為單個人的散熱量（夏季），取為145W/人；

預冷設備及材料消耗的熱功率P4=300（W）：

方艙內空氣耗冷量P5=CP·ρ·V·△T/Zt=（1000×1.29×25.53×10）/1800≈183W：

式中：

CP—定壓比熱取1kJ/kg·m3；

ρ—空氣比重取1.29kg/m3；

V—方艙內部容積，取44.2m3；

Zt—調節時間，取Zt=30min=1800s。

太陽輻射進入方艙的熱功率：

P6=K·FP·（Tm-T）=2×30.25×20=1210W

式中：

K—廂壁的平均傳熱系數，取2W/（m2·3℃）；

FP—向陽面的最大面積，取30.25m2；

Tm—太陽照射下向陽面的平均溫度，計算時取為Tm=T+20；

T—方艙外環境溫度。

總耗冷量：

P=P1+P2+P3+P4+P5+P6

=1539.6+1075+725+300+183+1210=5177.6W

根據以上計算可知：當環境溫度為40℃時，將方艙內的溫度降至30℃時所消耗的制冷量為5177.6 W，本車選用1臺軍用空調，其額定制冷能力為6000W，按GJB1913A《軍用方艙空調設備通用規范》規定的額定值95%效能計算，本空調制冷能力為5700W，能夠滿足要求。

3.4 仿真分析

使用Icepak對方艙內部進行熱仿真。建立熱力學模型并且劃分網格，外部環境空氣溫度設為40℃，壓力為一個標準大氣壓，經Icepak計算求解，得出具體結果如圖1～5所示，根據分析結果可知艙內設備最高溫度為29.5℃滿足本次使用要求。

4 結論

本文以某一方艙為例對方艙內部的熱量分布情況和進行了理論計算并根據計算結果對空調進行了選型，在此基礎上采用Icepak對方艙的溫度分布情況進行了仿真分析，仿真結果表明本次空調選型正確，艙內溫度分布可滿足使用要求。

參考文獻

[1]陳潔茹，朱敏波，齊穎.Icepak在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程，2005，21（01）：14-16.

[2]邱成悌，趙殳，蔣全興.電子設備結構設計原理[M].東南大學出版社，2005（01）：562.

[3]中國人民解放軍總裝備部.軍用通信車通用規范[S].總裝備部軍標出版發行部，2005：1-61.

作者簡介

王曉峰（1984-），男，山西省偏關縣人。工程師。研究方向為載車結構強度和熱分析技術。

作者單位

中國電子科技集團公司第十五研究所 北京市 100083