Icepak在電子設備熱設計中的應用
陳潔茹，朱敏波，齊穎
(西安電子科技大學， 陜西西安710071)
摘 要：在闡述電子設備熱分析重要性的同時，介紹了當前流行的四種熱分析軟件，利用其中的Icepak軟件對某電子設備的機箱進行了熱分析，并通過調整機箱的結構分布及其散熱方式，使其滿足了熱設計要求。通過算例也顯示了Icepak軟件在電子產品熱設計中的優越性。
關鍵詞：熱設計；Icepak；電子設備；可靠性
中圖分類號：TP319；TK11 文獻標識碼：B 文章編號：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
隨著電子設備復雜性的增加，如果各種發熱元件散發出來的熱量不能夠及時散發出去，就會造成熱量的積聚，從而導致各個元器件的溫度超過各自所能承受的極限，使得電子設備的可靠性大大降低。當前，電子設備的主要失效形式之一就是熱失效。據統計，電子設備的失效有55％是溫度超過規定的值引起的。隨著溫度的增加，電子設備的失效率呈指數增長趨勢。所以，熱設計是電子設備結構設計中不可忽略的一個環節，在對工作溫度有較高要求的電子設備的結構設計中，必須進行結構的熱設計。
1 常用熱分析軟件
當前流行的熱設計軟件種類比較多，用的較多的主要有SINDA／G，ANSYS，FLOTHERM，ICEPAK。SINDA／G軟件主要用于溫度場和熱控制計算，是基于集總參數和熱阻一熱容節點網絡，采用有限差分數值方法設計開發的專業熱分析軟件，包括大量計算求解器、庫函數和開放式的用戶開發環境，具有很廣的應用范圍。但是，由于它進入中國的時間不算太長，所以到目前為止應用群體還不是很廣泛。ANSYS是一個融結構、熱、流體、電磁、聲學為一體的大型通用有限元分析軟件，在熱分析功能方面，它除了分析獨立的溫度場以外，還具有多物理場耦合分析功能，允許在同一模型上進行各種耦合計算，如熱一結構耦合、甚至電一磁一流
體一熱耦合。但是，作為一個集多種分析于一體的大型通用軟件，它在熱分析方面的功能沒有像其它幾種軟件一樣專業，它不能擺脫對用戶相關知識的較高要求。應用中，需要用戶具有很強的有限元和傳熱學方面的知識背景和對ANSYS軟件的比較深入的學習。
相比之下，FLOTHERM和ICEPAK在這方面顯示了專業熱分析軟件的優越性。兩者都具有專業的流體動力學(CFD)的求解器，能夠分析各種流體狀態，同時，它們提供了電子設備熱分析中常見的所有組件，使得電子設備熱分析的建模非常簡單。這兩個軟件還為用戶提供了材料庫和風扇庫等，用戶可以直接調用，同時，還可以往材料庫中添加用戶自定義的材料類型，以方便用戶的實際使用。ICEPAK軟件除了具有以上優點之外，由于它所用的求解器為FLUNT求解器，還具有計算精度高的優點。
2 應用實例：某電子設備機箱熱分析
下面給出了一個用ICEPAK軟件實現的電子設備的熱設計實例。通過這個算例，可以了解ICEPAK在電子設備熱分析中的具體應用。
2．1 問題描述
模型中主要包括一個通風道，l7個功放，兩個風扇，四個達林頓管。其中原始模型的器件基本參數如下：
通風道：材料為防銹鋁LF6；
功放：材料為硬鋁，發熱功率為37 W；達林頓管：發熱功率為100 W，容許的極限溫度為200℃ ：
風扇：流量為21．9 L／S。

在整個機箱中，由于發熱元件很多，總的發熱功率達到1 066 W，在環境溫度為55cc，元件容許的最高溫度為85℃的情況下，單憑一個進口風機和一個出口風機散熱，機箱中的溫度有可能會超過極限溫度。由于這些功放的價格比較昂貴，功放的溫度不能通過直接測量元件表面溫度獲得，而ICEPAK軟件恰好解決了這個難題。使用ICEPAK軟件可以在沒有實際樣機的情況下仿真模擬機箱中各個元件的發熱情況，找到危險點。同時，還可以根據初步的計算結果，通過該軟件適當調整計算模型的結構，提高機箱的散熱性能，使整個機箱中的元件溫度能控制在容許溫度之內。
2．2 分析計算步驟
用ICEPAK實現該問題的計算及仿真的過程可分為五個基本步驟：設定問題參數、建立計算模型、進行網格劃分、求解計算、后處理。

2．2．1 問題參數的設定及模型的建立
問題的主要參數是流體狀態和環境溫度。通過ICEPAK軟件自動計算得到的普朗特數和雷利數可以確定流體類型為紊流。根據設計要求，設置環境溫度、風速、壓力等邊界條件，而輻射被忽略。
機箱的結構相對比較簡單，呈完全對稱分布，所以建模可以花很少的時間，只需建立四分之一，然后通過鏡像功能就可完成整體建模。機箱中達林頓管的的計算模型及其注示如圖3所示

由于通風道的壁厚相對其長度比較小，所以在網格劃分時要對通風道進行較細的網格劃分，必須有足夠的網格數才能保證此處的分析精度。但是一味地追求網格細化會使網格數量劇增，使得求解時間大大增加，所以需要在滿足精度要求的情況下盡可能的減少網格數量。在該問題中，采用的是粗糙網格劃分，HEXAS數量為l 14 015，QUADS數量為29 957，NODES數量為120 361。
2．2．2 求解計算
啟動Fluent求解器開始解算之前，要先設置求解殘留和迭代次數。在該算例中，默認的殘留設置即可滿足迭代要求。一般情況下，只要在迭代過程中發現連續性方程、動量方程及能量方程中有一個方程發散，就需要終止迭代，然后重新檢查模型及網格劃分，同時調整松弛因子，直至迭代收斂。
2．2．3 后處理
迭代收斂后，要想察看具體的溫度分布以及氣流分布等，就需要進行后處理。ICEPAK具有強大的后處理功能。在該問題中，所要關心的主要是各個功放的溫度分布。對于達林頓管，盡管其發熱功率很大，但由于其本身具有良好的耐熱性能(耐200~C高溫)，所以不是問題的關鍵。通過后處理中的object face功能可以顯示整個模型的溫度分布，如圖4所示。
根據溫度分布圖顯示，在環境溫度為55℃的情況下，功放的最高溫度超出了設計的容許溫度(85℃)。
此時，必須調整機箱的結構以改善其散熱性能。考慮到4個達林頓管的功率為400 W，僅憑兩個風扇主動散熱效果并不理想；而且，根據實際情況，機箱結構以及通風道已不能做尺寸調整．而達林頓管并不必放置于機箱中，所以，可以考慮將達林頓管從機箱中移去：
這樣，可以明顯地降低功放的溫度。此時，計算得到的功放最高溫度為143．05℃。
此時，雖然溫度已經大大降低，但還是沒能滿足設計要求。考慮到通風道中的氣流由于接觸面積較小，故散熱性能并不好 因此，可以通過在通風道中水平放置若干塊薄板，如圖5所示，以增大接觸面積。此時取薄板的厚度為0．5 n|m，間距為3．5 mm。

計算表明，在通風道中添加了一系列薄板后，模型中的總體溫度分布大大降低，此時機箱中的最高溫度下降為88．5"C。可見，該結構調整能有數地降低元件的溫度，大大增強了機箱的整體散熱性能。在此基礎上，可以進一步改變通風道中的薄板厚度以及其間隔，使其發揮最優的散熱性能 利用ICEPAK軟件提供的trims功能，將薄板的厚度參數設為變量，然后通過define trials給該變量賦一系列值，ICEPAK將同時計算出厚度為不同值時各種模型的求解結果。這一功能免去了反復修改模型參數的麻煩：通過比較不同厚度下的求解結果可以確定．薄板厚度為1 mm、問隔為3．0mm時達到結構最優，此時計算模型以及其溫度分布圖分別如圖5、圖6所示。

2．2 4 結果分析
通過對初始模型以及一系列修正模型的計算可以證明，不同的結構將直接影響結構中元件的溫度以及整個機箱的溫度分布：當通風道中的薄板厚度調整為I mm時，溫度降為86．98~C。由于計算采用的是絕對理想的狀態，即機箱對外界沒有任何熱量損失，而在實際工作狀態中，熱量的散失是不可避免的，因此，實際元件上的溫度要比計算得到的溫度稍低。可見此時的計算溫度已經基本滿足設計要求。

3 結論
上述一系列的機箱熱控方案的調整、篩選及優化過程，完整的展現了利用ICEPAK軟件進行電子設備熱設計的過程，為電子設備的熱設計提供了參考。同時，也證明了在結構設計中，要將熱設計融人結構設計，兩者兼顧，在結構設計時要考慮系統的散熱性能，而在熱設計中，要考慮結構的工藝性，只有這樣，才能真正地提高產品的可靠性．縮短產品開發時間。

參考文獻
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作者簡介：陳潔茹(1979一)，女，浙江人，碩士研究生，研究方向為電子設備熱分析。
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