綜合電子信息技術(shù)工程設(shè)計(jì)中的熱設(shè)計(jì)仿真白秀茹',劉全勝2(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.河北公安警察職業(yè)學(xué)院,河北石家莊050091).摘要:某野外工作設(shè)備,內(nèi)部安裝了大功率器件,而工作環(huán)境溫度較高,為保證內(nèi)部元器件和設(shè)備的然可靠性,熱分析和熱控制必不可少,熱設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成為該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。介紹了在該產(chǎn)品設(shè)計(jì)中借助于lecpak熱設(shè)計(jì)工具軟件,通過熱設(shè)計(jì)仿真,成功解決了散熱問題的經(jīng)過。并經(jīng)過試驗(yàn)證明,熱分析的結(jié)論與實(shí)際情況非常接近。關(guān)鍵詞:熱設(shè)計(jì);建模;耗散熱中圈分類號: TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B文章編號: 1003 - 314200)04- 40-3Thermal Design Simulation in Engineering DesignBAI Xiu-nu' ,LIU Quan-sheng2(1.The 54th Research Institute of CECT, Shijazhuang Hebei 050081 ,China;2. Hebei Vocational Clle of Public Security plceShjahuang Hebei 05001 ,China)Abstract:A certain field operation equipment with high-power parts insalled inemally operates in high-temperature enionment. Toguarantee the heat rliabilili of the intermal parts, beat analysis and thermal control is idisensable, hence the suces of thermal designbecomes the key to the physical design of the equipment. This paper introduces the proces of solving sccesfully the problem of heatisipation by way of thermal design simulation with the aid of Ieepack thermal design software in the equipment design. Tests prove that theresult of heat analysis is very close to the actual situation.Key words: thermal design; model building; heat disipation該軟件有如下技術(shù)特點(diǎn):0引言①建?？焖?利用各種形狀的幾何模型與現(xiàn)成隨著電子元器件集成化程度的提高,器件局部的模型庫可以方便地建立所求解問題的模型,具有發(fā)熱越來越嚴(yán)重,為保證設(shè)備的熱可靠性,熱分析和MCAD、ECAD/IDF直接輸人接口。熱控制已必不可少。實(shí)際工作中,合理利用熱分析②具有自動(dòng)化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力:可以軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì),可提高產(chǎn)品一次成功率,從而縮短逼近各種形狀復(fù)雜的幾何,大大減少網(wǎng)格數(shù)目,提高.研制周期,降低成本。大家知道,傳熱學(xué)中有大量的模型精度。同時(shí)還支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的不連續(xù)公式、表格,以往的手工計(jì)算繁復(fù)、耗時(shí)。leepak 是網(wǎng)格,可在不降低模型精度情況下減少網(wǎng)格數(shù)量以目前較流行的專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱分提高計(jì)算速度。析軟件之一,利用它,可大大減少計(jì)算量。本文較詳③廣泛的模型能力:涵蓋強(qiáng)迫對流、自然對流細(xì)地介紹了利用lcepak進(jìn)行該設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過程。和混合對流模型、熱傳導(dǎo)模型、流體與固體之間的耦合傳熱模型、物體表面間的熱輻射模型。另外,還可1 Icepak軟件功能及特點(diǎn)簡介以模擬層流紊流,瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)問題、多種流體介質(zhì)leepak廣泛應(yīng)用于通訊、汽車及航空電子設(shè)備、問題。電源設(shè)備、通用電器及家電等。該軟件可解決不同④強(qiáng)大的解算功能:具有強(qiáng)大的CFD(計(jì)算流類型的問題:系統(tǒng)級(Systems)、組件級(Components)、體力學(xué))、有限體積方法(Finite Volume Method)結(jié)構(gòu)封裝級(Packages)?；c非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器,并行算法,能夠?qū)崿F(xiàn).UNIX中國煤化工收稿日期:2007-01-06析結(jié)果 可以通過作者簡介:白秀茹(1969-),女,高級工程師。主要研究方向:電子CNMHG視圖的形式刪m,巴拍還及大里國、等值面圖、粒子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。40Radio Communications TechnologyVol.33 No.4 2007綜合電子信息技術(shù)軌跡圖、網(wǎng)格圖、切面云圖、點(diǎn)示蹤圖等,非常直觀。算域cabinet設(shè)定為機(jī)箱體積的1.5倍左右,圖中為lecepak 軟件的具體使用步驟包括建模加載初始條顯示清晰,隱去了cabinet框。件劃分網(wǎng)格、檢查氣流求解計(jì)算檢查分析結(jié)果等。機(jī)箱2熱設(shè)計(jì)及仿真過程" source濾波器電源2.1問題描述某野外工作設(shè)備,內(nèi)部安裝了功放、電源等大功3E451率器件,其要求工作環(huán)境苛刻,設(shè)備正常工作的環(huán)境溫度為- 25C~ + 55C ,濕度≤90%(溫度為25C),防雨,抗風(fēng)沙,可連續(xù)工作,小型化。不難看出,熱設(shè)謔波器安裝板計(jì)的優(yōu)劣成為該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。成功的熱設(shè)計(jì)應(yīng)是在保證設(shè)備高溫下可靠工作的同時(shí),使設(shè)備圍1加入翅片散熱器 前的leepak模型的重量加工成本控制在低限。.2.3加載初始條件及 邊界條件根據(jù)指標(biāo)要求,將該設(shè)備設(shè)計(jì)成鋁合金密封機(jī)模型建立的同時(shí),在相應(yīng)的參數(shù)面板中加載初箱。因?yàn)橛行⌒突?根據(jù)各器件外形尺寸進(jìn)行始條件和邊界條件,主要條件如下:內(nèi)部布局,盡量做到緊湊,合理利用空間。機(jī)箱內(nèi)部①氣流:穩(wěn)態(tài)、紊流。尺寸初步定為Lx Wx H= 270 mmx 200 mm x穩(wěn)態(tài)即流體達(dá)到熱平衡的狀態(tài),此模型為一穩(wěn)160 mm;機(jī)箱內(nèi)安裝的主要元器件如下:①1個(gè)電態(tài)模型。流體自然對流有2種不同的流態(tài),即層流源,總功率300 W ,其中45 W為耗散熱,其可靠工作和紊流通常選擇紊流邊界條件,在隨后的計(jì)算中，最高溫度+85C;②1個(gè)功放,總功率200 W,耗散會驗(yàn)證和校正此條件。熱為170 W,可靠工作的底盤最高溫度+ 70C;②流體:空氣。③3個(gè)濾波器,可靠工作最高溫度+85C;④接插③固體(機(jī)箱):鋁型材。件若干。元器件在機(jī)箱內(nèi)分上下3層安裝,2個(gè)熱④加入輻射、重力影響。源器件電源功放分別緊貼機(jī)箱頂壁、底板安裝,以.此選項(xiàng)體現(xiàn)的是考慮太陽輻射和地球引力的利用耗散熱最直接地傳導(dǎo)到外界大氣中。功放與電影響。源中間安裝3個(gè)濾波器。⑤環(huán)境空氣溫度: +55C。2.2 建模+55C為指標(biāo)要求的設(shè)備正常工作時(shí)的最高環(huán)首先將散熱方式設(shè)定為自然冷卻,由此人手展境溫度。開熱設(shè)計(jì)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定散熱方案:在功放底⑥電源耗散熱45 W。盤的底部(機(jī)箱外側(cè)底面)設(shè)大面積翅片散熱器(高.⑦功放耗散熱170 w。50mm,厚2.5mm,間隔6.5mm),電源底部(機(jī)箱上器件耗散的熱量決定了溫升,所以“45 W、蓋外側(cè))亦為翅片散熱器(高25 mm,厚2.5 mm,間隔170 w”這2個(gè)數(shù)值是十分重要的條件參數(shù),一般可5.5 mm)。機(jī)箱外形尺寸為LxWx H= 270 mmx .在器件說明書上查取或根據(jù)已知數(shù)據(jù)計(jì)算得來。200 mmx235 mm。利用lcepak軟件現(xiàn)有模型庫中2.4 生成網(wǎng)格cabinet/ wll/block/plate/eource/等命令,分別設(shè)定計(jì)因模型中無特殊形狀(如曲面等),直接建立結(jié)算域/機(jī)箱/電源/功放/濾波器/濾波器安裝板/翅片構(gòu)化網(wǎng)格即可。- -般情況下,軟件會根據(jù)模型尺寸散熱器/熱源的各自輪廓及定位尺寸、特性等參數(shù),建給出最大網(wǎng)格尺寸,在此基礎(chǔ)上,對功放、電源、散熱立Icepak機(jī)箱模型,其中熱源(source)只加在電源和器這些關(guān)鍵部位做細(xì)化網(wǎng)格(Nomal命令)處理,以功放上,濾波器和接插件因耗散熱極小,對熱分析影提高求解精度。設(shè)置完成后,執(zhí)行“generate mesh"響甚微,為簡化模型加快計(jì)算速度,不在這些器件上(生成網(wǎng)格)命令,軟件提示生成網(wǎng)格數(shù)量為100 多添加熱源。圖1為加人翅片散熱器前的Icepak 模型。萬個(gè),對于筆者奔IV、512 MB內(nèi)存計(jì)算機(jī)來說,這個(gè)自然對流狀態(tài)下,計(jì)算域通常為考慮輻射的影計(jì)算中國煤化工死機(jī)。為減少網(wǎng)響會盡量選取大- -些，如機(jī)箱體積的2倍大小。域格數(shù)|YHCN MH G模型精度,對2組大意味著計(jì)算量相應(yīng)增大,本例為縮短計(jì)算時(shí)間,計(jì)翅片、電源、功取深加- asembly，改用結(jié)構(gòu)化非連續(xù)2007年第33卷葦4期無線電通信技術(shù)41綜合電子信息技術(shù)網(wǎng)格進(jìn)行設(shè)置,網(wǎng)格數(shù)目降至40多萬個(gè),這樣在一從溫度云圖看出翅片，上熱量分布均勻合理,只是功小時(shí)左右時(shí)間里完成了后面將要提到的“求解計(jì)算”。放翅片整體溫度過高且中心部位熱量較集中,所以,2.5 檢查氣流下一步要解決的關(guān)鍵問題是加大對功放的散熱能進(jìn)入計(jì)算之前,需要檢查氣流雷諾數(shù)和普朗特力,將散熱方式由自然冷卻改為強(qiáng)迫風(fēng)冷。根據(jù)經(jīng).數(shù)的數(shù)值,以驗(yàn)證先前給定的初始條件是否正確。驗(yàn),在模型中功放散熱器頂部安裝1個(gè)風(fēng)扇(參數(shù):執(zhí)行"basicstting”命令,本例中計(jì)算出的雷諾數(shù)在220 V, 20 w, 50 Hz, 2.5 m/min, 8. 5 mm-H20,紊流范圍內(nèi),與初始條件設(shè)置相符。120 mmx 120 mmx38 mm)。建立相應(yīng)模型,用“fan"2.6求解計(jì)算 .命令加入風(fēng)扇特性曲線和基本尺寸參數(shù)。其中計(jì)算軟件采用迭代法進(jìn)行計(jì)算,執(zhí)行“RunSolution"域作調(diào)整,因?yàn)閺?qiáng)迫風(fēng)冷狀態(tài)下輻射影響甚小,為減命令,迭代次數(shù)到100次時(shí), X- Velocity、Y-Velocity、z-小計(jì)算量,將計(jì)算域減至機(jī)箱外型大小。重復(fù)前面的計(jì)算步驟,待參差曲線收斂后,提取Velocity、Continuity、Energy殘差曲線已完全收斂,說溫度分布云圖、風(fēng)速切面圖及相關(guān)報(bào)告。從溫度分明計(jì)算完成。參差曲線如圖2所示。布云圖可看到,功放處溫度已明顯下降,機(jī)箱內(nèi)最高10溫度出現(xiàn)在電源局部部位,為78C。由縱切面的風(fēng)Xx-VelocityJ_Velocity速切面圖，可觀察到風(fēng)向、風(fēng)速變化,最高風(fēng)速由/Ener1.75 m/s升至5.66 m/s,熱空氣沿散熱片齒向流動(dòng)，10°將熱量迅速流向大氣環(huán)境。Icepak給出的各器件最高溫度報(bào)告如下:想1o°Maximum temperatures:source .2(電源)77.77 Csource.1 (功放)67.8 C^ z-VelocityAblock.1(功放底板).Contiuilyblock.2 (濾波器)66.4 Cblock.2.3(濾波器)66.45 C0102030405060708090100block.2 .4(濾波器)66.39 C迭代次數(shù)改進(jìn)后結(jié)論:從報(bào)告看，機(jī)箱內(nèi)部高熱已得到改圈2模型參差曲線善,溫度梯度分布均勻,各元器件的最高溫度都已在指標(biāo)要求范圍內(nèi),滿足指標(biāo)要求。2.7檢查結(jié)果lcepak分析結(jié)果可通過視圖形式輸出,利用強(qiáng)2.9工程 驗(yàn)證按改進(jìn)后的熱設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在整機(jī)大的可視化后處理功能,生成的溫度分布云圖和風(fēng)加工調(diào)試完成后,按照環(huán)境試驗(yàn)要求進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn):.速圖,可直觀形象地了解各器件及機(jī)箱內(nèi)部溫度分高低溫存儲及高低溫工作試驗(yàn)。在高溫工作階段，布和空氣流動(dòng)情況。取機(jī)箱一個(gè)縱切面的風(fēng)速切面圖，沿箭頭為氣當(dāng)溫箱內(nèi)部溫度升至+55C時(shí),設(shè)備工作正常,并通流方向,圖中清晰顯示出熱空氣由下而上的流動(dòng)及.過預(yù)埋的溫度傳感器探測到功放底盤溫度為+65C,滿足功放+ 70C可靠工作的底盤最高溫度部位的風(fēng)速。leepak給出的各器件最高溫度報(bào)告如下:指標(biāo)要求,該數(shù)值和仿真設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接近。設(shè)備交付用戶后,經(jīng)多次工作實(shí)踐證明,設(shè)備的實(shí)際散熱能力與熱分析相符,滿足使用要求。source.2(電源)78.5 Csource.1(功放)98.24 C3結(jié)束語block.1 (功放底板)應(yīng)用該軟件,大大提高了工作效率,減少了設(shè)計(jì)82.25 C反復(fù),通過模擬出的各種圖示,設(shè)備工作時(shí)的熱量分block .2.3(濾波器)82.47 C布情況一目了然，使設(shè)計(jì)者在進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)做block.2.4(濾波器)82.53 C結(jié)論:目前自然冷卻散熱方式下,電源、濾波器到了心中有數(shù)。可見熱設(shè)計(jì)仿真在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)溫升可滿足指標(biāo)要求，而功放溫度超出了允許底盤中發(fā)揮著不可或缺的作用。最高溫度( + 70C)較多,方案待改進(jìn)。中國煤化工2.8改進(jìn)方案現(xiàn)有2組散熱器翅片尺寸是經(jīng)過優(yōu)化給定的,1]0HCNMH G站構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].42Radio Communications TechnologyVoL.33 No.4 2007