基于ICEPAK的功分器熱分析

王錦程 鄒鵬飛 舒逸夫

【摘 要】目前，電子類產(chǎn)品中使用較多的散熱方式主要有自然風冷、強迫風冷、液冷，本文主要研究的某功分器工作溫度為55℃，其內(nèi)部主要發(fā)熱源為電阻，其等效發(fā)熱功率為10W，一般情況下，100℃內(nèi)電阻都能夠正常工作，為保證功分器工作的可靠性，現(xiàn)利用ICEPAK軟件進行仿真分析。

【關鍵詞】熱分析;icepak

1、引言

在天線艙內(nèi)，散熱對系統(tǒng)正常工作起到十分重要的作用，作為天饋分系統(tǒng)中的功分器，其發(fā)熱要求也需要在允許范圍之內(nèi)。功分器內(nèi)安裝有隔離的電阻，由于輸入功率很大，電阻產(chǎn)生一定的熱量，如果熱量過大，超過了電阻許用值，電阻會燒毀，功分器失效。所以對功分器進行熱仿真很有必要。

目前，電子類產(chǎn)品中使用較多的散熱方式主要有以下三種：

1）自然風冷，常用于產(chǎn)品熱耗功率較小的場合;

2）強迫風冷，常用于產(chǎn)品熱耗功率較大的場合，其散熱效率比自然風冷高很多，但增加風道會增大產(chǎn)品的體積，同事帶來風扇 ;

3）液冷，其散熱效率比風冷高很多，但冷卻系統(tǒng)較為復雜，需要在產(chǎn)品內(nèi)部增加流道，成本較高。

本論文研究的功分器的散熱方式為增加散熱片，其散發(fā)的熱量依靠艙內(nèi)強迫風冷排出。所以，只需要研究功分器電阻及其周邊結構件的熱量即可。

2、熱分析基礎理論

熱量傳遞的基本規(guī)律是熱量從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域傳遞，其基本的計算公式為：

式中，為熱流量，為換熱系數(shù);換熱面積;為換熱面積;為冷熱流體之間的溫差。

熱量傳遞包含三種基本方式：導熱、對流和輻射換熱，一般電子熱設計工程中，會組合采用兩種或三種方式。密封腔體內(nèi)的器件及模組，需要考慮器件間、器件與殼體間的輻射換熱及相應的自然對流，因此涉及到的散熱方式包含導熱、對流、輻射換熱。

目前，電子熱設計中常用的冷卻方法包括：

（1）自然冷卻（包含導熱、自然對流和輻射換熱）

對電子設備來說，自然冷卻是一種比較可靠地散熱方式，其無噪聲、經(jīng)濟可靠，是電子產(chǎn)品散熱方式的第一選擇，主要通過合理的結構設計，將設備內(nèi)部發(fā)熱器件的熱量通過最低的熱阻路徑傳至設備的外部環(huán)境中，保證設備在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作。

自然冷卻的方式適用于功率密度較低的電子設備。

自認對流換熱的準則方程為：

式中，為努塞爾數(shù)，其與對流寒熱系數(shù)的關系為;Ra為瑞利數(shù)，;Gr為格拉曉夫數(shù)，;Pr為流體的普朗特數(shù);D為固體的特征尺寸;為流體的導熱系數(shù);為流體的體積膨脹系數(shù);g為重力加速度;為固體熱表面與流體的溫差;為流體的動力黏度。

（2）強迫冷卻（包含強迫風冷、強迫液冷散熱等）

強迫冷卻在電子設備中用來進行散熱設計，其主要是通過風機或者泵驅(qū)動相應的流體，通過外部原因產(chǎn)生的壓力差作用，使得流體進行流動，冷流體與電子設備內(nèi)的器件進行熱量交換，從而對電子設備進行冷卻。

（3）TEC熱電制冷

TEC熱電制冷，又稱半導體制冷，是建立在帕爾貼等電效應基礎上的冷卻方法，當一塊N型半導體和一塊P型半導體連接成電偶并在閉合回路中通直流電流時，在其兩端的節(jié)點處將分別產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，其主要適用于微波混頻器、激光器等電子器件。

TEC制冷的優(yōu)點是無須外界機械動力，無噪聲、無振動;可將發(fā)熱器件的工作溫度降低至比環(huán)境溫度還低;可通過改變電流大小調(diào)整制冷量和冷卻速度，結構緊湊、體積小、質(zhì)量輕。

TEC制冷的缺點是為了達到很好的制冷目的，TEC本身需要很大的電流，熱耗較大。

在ANSYS Icepak中，可建立TEC制冷的模型，包含TEC的冷面、熱面及不同電流TEC的熱耗，TEC的極對數(shù)，TEC半導體的高度、間隙及幾何因子等，可方便快捷對TEC制冷進行散熱模擬。

（4）熱管散熱。

熱管散熱是一種高效的傳熱裝置，目前被廣泛應用在電子設備的強迫風冷或自然冷卻中，其傳熱能力高，傳熱能力比其他導熱材料高幾十倍，均溫性好，可根據(jù)散熱的結構需求設計熱管外形，無須動力源，可有效降低熱源至熱沉的傳熱熱阻。

熱管的工作原理為：高溫器件將蒸發(fā)端加熱，熱管內(nèi)的工質(zhì)由液體蒸發(fā)為氣態(tài)，吸收潛熱，氣態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)端和冷凝端之間所形成的壓差作用下流向冷凝端，由于氣態(tài)工質(zhì)在冷凝端冷凝成液體，釋放氣化所吸收的潛熱，釋放的潛熱被外界的冷空氣帶走。冷凝后的液體，在吸液芯和液體產(chǎn)生的毛細管作用下，重新流回蒸發(fā)端，工質(zhì)開始新的循環(huán)。

熱管和VC均溫板散熱器的技術優(yōu)勢包括：a）傳熱效率傳統(tǒng)的型材散熱器高;b）散熱器基本溫度低，使元器件的熱可靠性更高;c）風扇尺寸、風扇數(shù)量的減少，可以有效降低成本;d）風扇可以以較低的運轉(zhuǎn)速度進行散熱，使風扇的可靠性提高;e）對冷卻風量的需求減小可以大大降低系統(tǒng)的噪聲;f）散熱器較輕可以減小振動造成的損壞;g）元器件的布局具有更大的靈活性。

ANASY Icepak熱仿真求解流程為：開始→根據(jù)冷卻方式，判斷模型采用的散熱方式（自然、強迫、混合冷卻）→在ANSYS Icepak軟件中建立散熱模型（冷卻方式的熱路），賦予器件的材料屬性→輸入各種邊界條件：進口風量 風扇的P-Q線、WALL的熱邊界、對稱、周期性邊界條件等→輸入各器件熱耗、環(huán)境溫度、流態(tài)、輻射設置、計算離散格式、迭代步驟、監(jiān)控點、初始值（用于SIMPLE迭代計算）→根據(jù)建立的幾何模型，使用四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、多級網(wǎng)格、局部加密網(wǎng)格、劃分出高質(zhì)量的貼體網(wǎng)格（需要檢查網(wǎng)格質(zhì)量和保新性）→進行計算求解、準確判斷模型收斂→后處理：器件各種變量云圖、切面云圖、速度矢量圖、等值圖、粒子跡線、各種動畫、報告等→仿真結果→用戶根據(jù)計算結果，可進行各種參數(shù)的優(yōu)化，得到最優(yōu)化的設計方案，熱設計工作結束。

3、問題描述

工作中功分器某一輸入端承受了40W瞬時功率，理論上不考慮微帶板損耗的情況下，等效電路計算得到電阻承受了10W的瞬時功率。由于功分器體積小，工作溫度為55℃，為保證其可靠性，必須確保電阻在其有效工作溫度100℃之內(nèi)。

4、建立仿真熱模型

功分器三維模型如下圖：

為了更好的散熱，在功分器底部設計了散熱翅片，增加了殼體與空氣的接觸面積，當溫度過高時，還可以增加風冷進行強迫散熱。

為減少計算量，在不影響計算精度的情況下，適當簡化模型，隱去輸入端口和接頭，直接將功率加載在電阻上，即將電阻等效成一個10W的熱源。

ICEPAK有限元熱分析主要分為前處理、求解和后處理3步，直接將UG中建模導入WORKBENCH的DM中，通過TOOL-electronics將模型轉(zhuǎn)換成ICEPAK可以識別的模型類型，在simplification type中選擇level3，facet quality選擇very fine，轉(zhuǎn)化后ICEPAK可以直接識別模型。定義殼體和電阻的材料均為鋁，電阻的功率為10W，在自然對流的情況下，將cabinet按照相應比例擴大，六個面均設置為open。

5、設定工況并劃分網(wǎng)絡

仿真熱模型建立后，設定工況邊界條件，迭代部數(shù)設為100，計算雷諾數(shù)，判定空氣流動狀態(tài)為湍流。設置求解變量為FLOW和temperature，打開重力及速度方向，設定環(huán)境溫度為55℃。選擇模型樹下所有器件，創(chuàng)建ASSEMBLY，選擇mesh separately，輸入各個面的Slack數(shù)值為5，選擇Max element size下的X、Y、Z，分別輸入8，8，10，選擇set uniform mesh params和Allow multi-level meshing，并對不同的模型輸入不同的Max levels，最后進行網(wǎng)格劃分，整個模型網(wǎng)格數(shù)為66233，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為64641。

6、熱仿真結果

仿真計算結束后，利用后處理工具得到功分器內(nèi)部溫度云圖，如下：

從結果可以看出，電阻上最高溫度為66℃，殼體最高溫度為62℃，滿足電阻允許的最高溫度100℃。

7、結束語

由ICEPAK仿真結果可知，加散熱片后功分器增大了散熱面積，有效的控制了發(fā)熱器件的溫度，使溫度在100℃以內(nèi)，滿足功分器的使用要求。

參考文獻：

[1]王永康，ANSYS Icepak電子散熱基礎教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

[2]李忠，潘軍，韓磊，張攀，占昌恒，基于icepak的火炮驅(qū)動器散熱分析[J].電子機械工程，2019.4

作者簡介：

王錦程，1989.9，女，漢族，湖北武漢，碩士研究生，工程師，研究方向：天饋分系統(tǒng)結構設計。

（作者單位：武漢濱湖電子有限責任公司）