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Icepak在电子设备热设计中的应用

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Icepak在电子设备热设计中的应用
陈洁茹,朱敏波,齐颖
(西安电子科技大学, 陕西西安710071)
摘 要:在阐述电子设备热分析重要性的同时,介绍了当前流行的四种热分析软件,利用其中的Icepak软件对某电子设备的机箱进行了热分析,并通过调整机箱的结构分布及其散热方式,使其满足了热设计要求。通过算例也显示了Icepak软件在电子产品热设计中的优越性。
关键词:热设计;Icepak;电子设备;可靠性
中图分类号:TP319;TK11 文献标识码:B 文章编号:1008—5300(2005)01—0014—03
Application of Icepak in the Thermal Design of an Electronic Device
CHEN Jieru,ZHU Minbo,QIYing
(Xidian University, Xi an 710071,China)
Abstract:The importance of thermal analysis of electronic device is discussed and a brief introduction to four popular therm al analysis softwares is given.Then,the overall process of thermal analysis of some electronicdevices with Icepak is shown in this paper.Through the analysis ,the configuration and the cooling system of the device are adjusted for fulfil the demands of thermal design.The advantages of Icepak in the thermal analysis of electronic products are also demonstrated.
Key words:therm al design;Icepak;electronic device;reliability
0 引 言
随着电子设备复杂性的增加,如果各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去,就会造成热量的积聚,从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的极限,使得电子设备的可靠性大大降低。当前,电子设备的主要失效形式之一就是热失效。据统计,电子设备的失效有55%是温度超过规定的值引起的。随着温度的增加,电子设备的失效率呈指数增长趋势。所以,热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节,在对工作温度有较高要求的电子设备的结构设计中,必须进行结构的热设计。
1 常用热分析软件
当前流行的热设计软件种类比较多,用的较多的主要有SINDA/G,ANSYS,FLOTHERM,ICEPAK。SINDA/G软件主要用于温度场和热控制计算,是基于集总参数和热阻一热容节点网络,采用有限差分数值方法设计开发的专业热分析软件,包括大量计算求解器、库函数和开放式的用户开发环境,具有很广的应用范围。但是,由于它进入中国的时间不算太长,所以到目前为止应用群体还不是很广泛。ANSYS是一个融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件,在热分析功能方面,它除了分析独立的温度场以外,还具有多物理场耦合分析功能,允许在同一模型上进行各种耦合计算,如热一结构耦合、甚至电一磁一流
体一热耦合。但是,作为一个集多种分析于一体的大型通用软件,它在热分析方面的功能没有像其它几种软件一样专业,它不能摆脱对用户相关知识的较高要求。应用中,需要用户具有很强的有限元和传热学方面的知识背景和对ANSYS软件的比较深入的学习。
相比之下,FLOTHERM和ICEPAK在这方面显示了专业热分析软件的优越性。两者都具有专业的流体动力学(CFD)的求解器,能够分析各种流体状态,同时,它们提供了电子设备热分析中常见的所有组件,使得电子设备热分析的建模非常简单。这两个软件还为用户提供了材料库和风扇库等,用户可以直接调用,同时,还可以往材料库中添加用户自定义的材料类型,以方便用户的实际使用。ICEPAK软件除了具有以上优点之外,由于它所用的求解器为FLUNT求解器,还具有计算精度高的优点。
2 应用实例:某电子设备机箱热分析
下面给出了一个用ICEPAK软件实现的电子设备的热设计实例。通过这个算例,可以了解ICEPAK在电子设备热分析中的具体应用。
2.1 问题描述
模型中主要包括一个通风道,l7个功放,两个风扇,四个达林顿管。其中原始模型的器件基本参数如下:
通风道:材料为防锈铝LF6;
功放:材料为硬铝,发热功率为37 W;达林顿管:发热功率为100 W,容许的极限温度为200℃ :
风扇:流量为21.9 L/S。

在整个机箱中,由于发热元件很多,总的发热功率达到1 066 W,在环境温度为55cc,元件容许的最高温度为85℃的情况下,单凭一个进口风机和一个出口风机散热,机箱中的温度有可能会超过极限温度。由于这些功放的价格比较昂贵,功放的温度不能通过直接测量元件表面温度获得,而ICEPAK软件恰好解决了这个难题。使用ICEPAK软件可以在没有实际样机的情况下仿真模拟机箱中各个元件的发热情况,找到危险点。同时,还可以根据初步的计算结果,通过该软件适当调整计算模型的结构,提高机箱的散热性能,使整个机箱中的元件温度能控制在容许温度之内。
2.2 分析计算步骤
用ICEPAK实现该问题的计算及仿真的过程可分为五个基本步骤:设定问题参数、建立计算模型、进行网格划分、求解计算、后处理。

2.2.1 问题参数的设定及模型的建立
问题的主要参数是流体状态和环境温度。通过ICEPAK软件自动计算得到的普朗特数和雷利数可以确定流体类型为紊流。根据设计要求,设置环境温度、风速、压力等边界条件,而辐射被忽略。
机箱的结构相对比较简单,呈完全对称分布,所以建模可以花很少的时间,只需建立四分之一,然后通过镜像功能就可完成整体建模。机箱中达林顿管的的计算模型及其注示如图3所示

由于通风道的壁厚相对其长度比较小,所以在网格划分时要对通风道进行较细的网格划分,必须有足够的网格数才能保证此处的分析精度。但是一味地追求网格细化会使网格数量剧增,使得求解时间大大增加,所以需要在满足精度要求的情况下尽可能的减少网格数量。在该问题中,采用的是粗糙网格划分,HEXAS数量为l 14 015,QUADS数量为29 957,NODES数量为120 361。
2.2.2 求解计算
启动Fluent求解器开始解算之前,要先设置求解残留和迭代次数。在该算例中,默认的残留设置即可满足迭代要求。一般情况下,只要在迭代过程中发现连续性方程、动量方程及能量方程中有一个方程发散,就需要终止迭代,然后重新检查模型及网格划分,同时调整松弛因子,直至迭代收敛。
2.2.3 后处理
迭代收敛后,要想察看具体的温度分布以及气流分布等,就需要进行后处理。ICEPAK具有强大的后处理功能。在该问题中,所要关心的主要是各个功放的温度分布。对于达林顿管,尽管其发热功率很大,但由于其本身具有良好的耐热性能(耐200~C高温),所以不是问题的关键。通过后处理中的object face功能可以显示整个模型的温度分布,如图4所示。
根据温度分布图显示,在环境温度为55℃的情况下,功放的最高温度超出了设计的容许温度(85℃)。
此时,必须调整机箱的结构以改善其散热性能。考虑到4个达林顿管的功率为400 W,仅凭两个风扇主动散热效果并不理想;而且,根据实际情况,机箱结构以及通风道已不能做尺寸调整.而达林顿管并不必放置于机箱中,所以,可以考虑将达林顿管从机箱中移去:
这样,可以明显地降低功放的温度。此时,计算得到的功放最高温度为143.05℃。
此时,虽然温度已经大大降低,但还是没能满足设计要求。考虑到通风道中的气流由于接触面积较小,故散热性能并不好 因此,可以通过在通风道中水平放置若干块薄板,如图5所示,以增大接触面积。此时取薄板的厚度为0.5 n|m,间距为3.5 mm。

计算表明,在通风道中添加了一系列薄板后,模型中的总体温度分布大大降低,此时机箱中的最高温度下降为88.5"C。可见,该结构调整能有数地降低元件的温度,大大增强了机箱的整体散热性能。在此基础上,可以进一步改变通风道中的薄板厚度以及其间隔,使其发挥最优的散热性能 利用ICEPAK软件提供的trims功能,将薄板的厚度参数设为变量,然后通过define trials给该变量赋一系列值,ICEPAK将同时计算出厚度为不同值时各种模型的求解结果。这一功能免去了反复修改模型参数的麻烦:通过比较不同厚度下的求解结果可以确定.薄板厚度为1 mm、问隔为3.0mm时达到结构最优,此时计算模型以及其温度分布图分别如图5、图6所示。

2.2 4 结果分析
通过对初始模型以及一系列修正模型的计算可以证明,不同的结构将直接影响结构中元件的温度以及整个机箱的温度分布:当通风道中的薄板厚度调整为I mm时,温度降为86.98~C。由于计算采用的是绝对理想的状态,即机箱对外界没有任何热量损失,而在实际工作状态中,热量的散失是不可避免的,因此,实际元件上的温度要比计算得到的温度稍低。可见此时的计算温度已经基本满足设计要求。

3 结论
上述一系列的机箱热控方案的调整、筛选及优化过程,完整的展现了利用ICEPAK软件进行电子设备热设计的过程,为电子设备的热设计提供了参考。同时,也证明了在结构设计中,要将热设计融人结构设计,两者兼顾,在结构设计时要考虑系统的散热性能,而在热设计中,要考虑结构的工艺性,只有这样,才能真正地提高产品的可靠性.缩短产品开发时间。

参考文献
[1] 方志强电子设备热分析软件应用研究[J].北京航空航天大学学报,2003,29(8)
[2] 唐兴伦.ANSYS工程应用教程热与电磁学篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.
[3] 谢德仁.电子设备热设计[M] 南京:东南大学出版社.1989
[4] 余建祖.电子设备热设计及分析技术[M .北京:北京航空航天大学出版杜,2003.
作者简介:陈洁茹(1979一),女,浙江人,硕士研究生,研究方向为电子设备热分析。
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