基于ANSYS Icepak的某便攜式設備熱設計

摘" 要：針對某便攜式設備結構熱設計，根據其使用環境條件要求，通過計算機箱表面熱流密度及許用溫升，確定機箱散熱方式，選擇適用風機，合理布局機箱內部各模塊位置，確定機箱結構模型。利用三維建模軟件UG對機箱樣機進行建模，并結合ANSYS Icepak熱仿真分析軟件，對機箱進行熱仿真分析計算，驗證該機箱結構熱設計方案的合理性、風機選擇的適用性。該過程將理論分析與軟件仿真相結合，極大地提高了電子設備結構熱設計的效率及可靠性，為今后開展電子設備結構熱設計提供參考。

關鍵詞：電子設備；結構熱設計；Icepak；熱仿真

中圖分類號：TP39；TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）11-0121-05

Thermal Design of a Portable Device Based on ANSYS Icepak

MENG Wei

（The 20th Institute of CETC， Xi'an" 710068， China）

Abstract： Aiming at the thermal design of a portable device， according to the requirements of the using environmental conditions， this paper determines the heat dissipation mode of the chassis through calculating the surface heat flux and allowable temperature rise， then chooses the suitable fans and rationally arranges the location of modules inside the chassis， and determines the structure model of the chassis. It uses UG （3D modeling software） to carry out modeling for the chassis prototype， and combines the ANSYS Icepak （thermal simulation analysis software） for thermal simulation analysis calculation to verify the rationality of the thermal design scheme of the chassis and the suitability of the fans. The combination of theoretical analysis and software simulation can highly improve the efficiency and reliability of the thermal design of the electronic device， and provide a reference for future thermal design of the electronic device.

Keywords： electronic device; thermal design; Icepak; thermal simulation

0" 引" 言

隨著電子設備集成度的提高，因散熱引起的電子設備失效問題越發突出[1]，熱設計直接影響到電子設備的性能及可靠性，因此科學合理的熱設計成為當下電子設備結構設計中急需關注和解決的重大問題。

長期以來，電子設備結構熱設計都是以經驗為主導，借鑒已有設備的結構設計形式進行樣機設計、生產，經試驗驗證后進行優化設計，往復迭代導致產品設計周期長，成本高。熱仿真分析軟件能夠在方案階段對電子設備結構熱設計進行仿真分析，得到機箱內部溫度分布情況，對優化機箱結構熱設計提供指導，經多次對比分析，找到最佳設計方案，極大地縮短了產品開發周期，減少了生產及驗證成本，提高了產品設計效率[2]。

本文通過理論計算與Icepak仿真分析相結合的方式，對某便攜式設備進行結構熱設計，驗證其結構設計的合理性，為后續產品設計提供指導。

1" 散熱方式

電子設備有多種散熱方式，常見的有：自然散熱、強迫散熱、熱電散熱以及熱管散熱[3]。

自然散熱利用空氣密度變化產生的自然對流進行熱量交換，其結構形式簡單，可靠性高，不需要任何輔助設備，能極大地降低電子設備結構的復雜程度，但自然散熱效率較低，只適用于熱耗較低的電子設備，對電子設備的功耗有一定限制，如各類便攜式電子設備。

強迫散熱又包含強迫風冷散熱及強迫液冷散熱。強迫風冷散熱是利用風機等外部設備產生的強制對流帶走熱量。通常情況下，風扇將設備周圍的冷空氣吸入設備內部，并經由專門設計的風道或者直接吹過功耗器件表面的散熱片來帶走熱量。相比于自然散熱，強迫風冷散熱能夠滿足較大熱耗設備的散熱需求，但需要額外增加風扇，噪聲大，多適用于功耗較高的電子設備，常用于車載以及地面大功率電子設備。

液冷散熱是利用水、冷卻液等各種液體的傳熱特性，通過壓力泵使其沿特定的管路往復循環帶走熱量。液冷散熱具有噪聲低、散熱效率高的特點，但是其結構形式復雜，一般而言，一套液冷散熱系統包含冷卻液、壓力泵、管道、水箱、二次換熱裝置以及配套動力系統、監控系統等，整個系統龐大，系統成本較高，通常用于強迫風冷散熱無法滿足其散熱需求的大體積、高熱耗的電子設備，如雷達、大功率服務器、超級計算機等。

熱電散熱又稱半導體散熱，是利用帕爾貼效應產生冷端、熱端來帶走熱量，不需要外部機械動力，無噪聲和振動，可將發熱器件溫度降至比環境溫度還低，但熱電制冷需要消耗大量的電力，引起系統功耗增加，通常用于微波設備、激光設備。

熱管散熱是一種高效的散熱方式，利用其獨特的內部結構實現熱量的快速轉移。熱管一般為密封裝置，分為冷凝端和蒸發端，蒸發端靠近需要散熱的器件，冷凝端靠近方便二次換熱的區域，熱管內部裝有容易發生相變的液體，外部功耗器件將蒸發端吸液芯內的液體沸騰汽化，利用蒸發吸熱將功耗器件表面溫度降低，熱蒸汽沿著熱管轉移到冷凝端，在冷凝端液化成液體，釋放的熱量由冷凝端通過外部二次換熱裝置帶走，液化后的冷卻液通過毛細作用返回到蒸發端，如此循環帶走熱量。熱管散熱的出現很好地解決了狹小空間電子設備散熱問題。

具體選用何種散熱方式取決于設備的功耗、尺寸以及應用場景，對常規的小型電子設備，一般常選用自然散熱及強迫風冷散熱，具體需要根據設備的許用溫升及表面熱流密度來確定。

1.1" 許用溫升

溫度是電子設備可靠工作的基本條件之一，環境溫度的變化直接影響著電子元器件的性能，進而影響到電子設備整機的工作狀態[4]。根據某便攜式設備使用環境要求，當工作溫度在-25～60 ℃范圍內，設備應能正常工作，設備內部各模塊表面溫度應不超過85 ℃，因此其許用溫升為25 ℃。

1.2" 表面熱流密度

該便攜式設備外形尺寸為290 mm×260 mm×140 mm（不含把手、連接器、支腳等凸出物），內部共有9個模塊，根據其結構形式及功耗情況均勻分布在設備兩側，設備總功耗為180 W，各模塊功耗如表1所示。

表面熱流密度[5]計算：q = φ / s，其中：q表示表面熱流密度，單位W/cm2；φ表示設備總熱耗，單位W；s表示散熱面積，單位cm2。

根據上述描述，該設備的表面熱流密度q = 180 /（2×29×26 + 2×29×14 + 2×26×14） = 0.06 W/cm2。

根據上述設備許用溫升及表面熱流密度計算結果，參照圖1 [6]電子設備散熱方式選擇可以得到，該便攜式設備采用強迫風冷散熱為宜。

2" 風機選型

風機選型需要考慮風道、壓力、噪聲等，合理的風機選型可以使風機工作在最佳狀態，能有效延長風機的使用壽命，降低風機噪聲，同時合理風機選型還能降低產品成本。

依據熱平衡方程，計算機箱散熱所需的風量[7]：Q = φ / ρCpΔt，其中：Q表示冷卻所需的風量，單位m3/s；φ表示設備熱耗，該便攜式設備熱耗為180 W；ρ表示空氣密度，取1.06 kg/m3；Cp表示空氣比熱容，取1 005 J/（kg·℃）；Δt表示機箱風道進出口空氣溫升，根據經驗取10 ℃。通過計算可得設備冷卻所需風量：Q = 180 / （1.06×1005×10） = 0.016 9 m3/s = 60.8 m3/h。

考慮到系統阻力，實際選用風機時以理論值的1.5～2倍作為參考風量進行風機選型[8]，因此所選風機的風量應不小于91 m3/h。

結合散熱需求、結構尺寸、風機特性以及國產化要求，此處選用蘇州電訊電機廠的軸流風機，型號為37FZW211-28GJ，其特性曲線如圖2所示。

選用4個風機并聯，總風量為4個風機風量之和，風壓保持單個風機風壓不變。

3" 樣機模型建立

根據上述風機選型結果以及各模塊外形尺寸及功耗情況，在綜合考慮內部線纜連接關系的同時，合理布局各功耗模塊，對該便攜設備機箱結構進行設計，風道位于設備中間，各模塊緊貼風道兩側，整機布局如圖3所示。

4" 仿真分析

ANSYS Icepak [9]是一款專業的電子產品熱分析軟件，廣泛應用于各個行業，其強大的功能能夠幫助設計人員分析各種工況下產品的熱性能，解決產品設計中存在的各種散熱問題，提高產品的性能及可靠性，縮短產品設計的迭代周期，減少產品設計成本。

4.1" 仿真模型的建立

利用Icepak進行熱分析時，首先要進行模型簡化，去掉原幾何模型內包含的安裝孔、圓角、倒角、密封槽等不影響仿真結果的要素。Design Modeler [10]是ANSYS Workbench軟件自帶的CAD接口模塊，能夠兼容各類三維建模軟件，方便用戶在三維建模軟件中完成模型建立及修改后，直接將仿真模型導入Icepak。通常情況下由三維建模軟件直接導入的CAD模型無法直接被Icepak識別，需要在Design Modeler進行轉換。Design Modeler提供了四個級別的模型轉化level 0～level 3。level 0將模型轉化為一個立方體，所有幾何特征都消除；level 1可以將導入的模型轉化為長方體及圓柱體的組合；level 2則可以在level 1的基礎上對多邊形進行擬合。而對復雜CAD模型一般多進行level 3級別的轉換，將CAD模型直接轉化成Icepak認可的實體，保留三維模型的所有特征信息。此外，機箱進出風口利用Icepak中grille模型代替，設置開孔比例，風扇模型利用Icepak中fans代替，以降低模型的復雜程度，有利于減少網格劃分，縮短計算時間，簡化后的仿真模型如圖4所示。

4.2" 網格劃分

進行仿真計算前，需要先對模型進行網格劃分，網格劃分質量直接決定了仿真計算時間及結果的可靠性，較差的網格劃分還有可能引起計算結果的不收斂。Icepak共有三種網格類型[11]：六面體占優網格、非結構化網格和結構化網格。對異形CAD幾何體而言，網格劃分必須使用六面體占優網格，網格劃分結果如圖5所示。

整個模型經過網格劃分后，共有1 319 227個單元，1 481 241個節點，面對齊率Face Alignment大于0.42，網格偏斜度Skewness大于0.076，網格質量良好，滿足計算要求。

4.3" 參數設置

仿真模型建立后，需要進行參數設置，根據設計要求，將環境溫度設置為最高工作溫度60 ℃，按照表1內容對各功耗模塊進行功耗設置，設置風扇模型fans為Exhaust，即向外抽風，并將圖2風扇的P-Q曲線輸入其中，空氣流動狀態調整為湍流Turbulent，其余采用默認設置。

4.4" 結果分析

按照上述步驟完成模型簡化和仿真條件設置后，進行熱仿真計算，所得結果如圖6、圖7和圖8所示。

從圖6可以看出，整個計算過程收斂，計算結果有效。圖7為設備內部各模塊溫度分部云圖，從中可以看出，當環境溫度為60 ℃時，設備內部最高溫度為72.141 8 ℃，為核心處理板，小于許用溫度85 ℃，熱設計滿足要求。圖8為計算結果匯總，圖中詳細羅列了設備所有部分的最大溫度值，與圖7相對應，最大值為72.141 8 ℃，為核心處理板。同時從圖8中還可以看到風扇總流量為0.029 55 m3/s，即106.38 m3/h，大于設備散熱所需空氣流量91 m3/h，單個風扇風量為26.6 m3/h，風壓為29.59 N/m2，通過查找圖2風機特性曲線，風機工作點位于風機特性曲線的后半段，符合風機工作特性，風機選型合適。

通過上述仿真結果可以看出，設備機箱結構設計合理，熱性能滿足使用要求。

5" 結" 論

通過理論計算許用溫升及設備的表面熱流密度，可以確定整機散熱方案；冷卻風量的計算則可以指導機箱風扇的選型，進而完成整機樣機設計。熱仿真軟件的計算結果，可以驗證整機結構設計的合理性，檢驗電子設備熱性能，同時還可以驗證風扇選型的準確性，展示電子設備內部熱量分布，為整機熱性能的優化提供指導。

這種將理論計算與軟件仿真結合的方法能快速驗證電子設備結構熱設計的性能，為電子設備熱設計優化提供指導，有助于縮短產品研發周期，同時為類似電子設備的結構熱設計提供參考。

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作者簡介：孟瑋（1990—），男，漢族，陜西榆林人，工程師，碩士研究生，研究方向：電子機械。

收稿日期：2024-03-10