基于Icepak软件的电子设备机箱的优化设计

刘玉绵

中国电子科技集团公司第五十四所，河北 石家庄 050081

0 引言

随着电子设备的小型化，热流密度越来越大，给散热带来一定难度，传统设计电子设备机箱的方法是根据指标要求和工程经验设计出样品，加工完成后用于实践检验，然后根据反馈的问题进行改进，从而得到最优化设计。现提出一种预设计方案，利用Icepak软件首先对要设计的目标进行热设计仿真，通过仿真获得合理散热方式的最佳方案。尤其对于复杂热环境，高密度组件情况，仿真软件的应用更是一种很好的设计辅助手段，使散热效能最大化，从而提高电子设备的可靠性。

1 问题描述

对要设计的机箱要求参数如下:1）机箱外形尺寸为:262mm×262mm×100mm的封闭铝制箱体；2）内部包含有:收发模块、功放模块、隔离器、电源、数个热源；3）各部分不同的热耗分布，总热耗为28W；4）工作环境温度为55℃，模块最大允许温度85℃；5）机箱采用自然对流的散热方式，原模型无散热齿，优化后模型增加散热齿片，借助仿真给出多个参数，进行机箱散热器结构的优化。

2 仿真设计过程

Icepack求解的一般过程:项目命名—建立模型-确定初始参数-网格划分-网格检查-校核流态-问题求解-仿真结果。

3 建立模型

使用Icepak软件，建立自然散热模型，通过软件的cabinet、wall、block和source等命令，分别设定为机箱的计算域、机箱腔体、电源单元模块、收信和发信单元模块、功放单元模块等、散热器、热源，并给出各部分外廓及位置尺寸、材质、热耗等参数，建立完成机箱模型后进行简化模型，其中热源主要加在收发、电源和功放单元模块上，隔离器等其他模块因耗散热极小，为简化模型加快计算速度，在这些器件上添加简化为圆热源。图1 为该设备的Icepak热分析模型。

4 自然散热时计算域的设定

在自然对流散热情况下，设机箱的三维模型cabinet最大尺寸为:1）Y轴向上方向，cabinet边界距离机箱模型外壁距离设为220mm(间距大于2倍机箱高度，机箱高度L=100mm）；2）重力Y轴向下方向，cabinet边界距离机箱模型外壁距离设为120mm， （浮力下方空间大于机箱高度）；3）其它四个方向与离机箱模型外壁的距离设为150mm，（大于倍的机箱长和宽，机箱长、宽为262mm。

对自然对流散的cabinet六个面都设置成opening，opening的物性设置采用使用环境温度作为温度边界。

图1 设备的Icepak热分析模型

5 设定模型的其它相关参数

模型建立中，在参数面板设置初始条件和边界条件。

主要条件和参数如下:1）气流:稳态、紊流；2）流体:空气；3）机箱:铝合金；4）对此室外机箱考虑太阳辐射和地球引力的影响，机箱各部件加入辐射、重力影响；5）环境空气温度按设备使用条件设置为＋55℃；6）电源单元模块、收发单元模块、功放单元模块等各单元模块热耗分别设置为39个热源 :Sources1 至 Sources39 的热耗分别为 :0.195、0.11、0.12、1.25、0.4、0.12、0.12、0.26、8.5、0.4、0.2、0.2、0.29、1.15、0.16、0.1、0.1、0.05、0.4、0.35、0.9、0.68、0.1、0.3、0.4、0.54、0.76、0.4、0.4、0.25、0.25、0.3、2.5、1、0.3、0.38、0.9、0.2、0.6。

6 网格划分

尽量采用粗网格划分空间，采用O-Grid使网格从350万减少到217万，采用Shell薄板模型大幅度减少网格。

首先，检查各模型网格划分到真实几何体上以及逼近模型轮廓的程度。其次，检查实体模型间流体间隙是否有足够的网格数。因为小的间隙再加上快的流速，其势函数与流函数有较大的梯度变化，必须有足够的网格数才能保证此处的分析精度。

7 网格的质量检查

经过检查，发现机壳外壳网格太少。如图3所示。所以在Per-object meshing parameters面板中，选择外壳、散热器翅片，打开Use per-object parameters选项，给这几处网格局部加密，见修正前、后的网格图，图示2，网格足够多，最终满足了要求。

图2 修正前、修正后网格图

8 计算求解过程

先检查气流雷诺数、普朗特数，设置迭代100步，采用迭代法，最后进入计算，执行计算命令后，迭代次数超过100次时，残差曲线已经完全收敛，结束计算。

图3 迭代步数和计算后残差曲线图

9 优化方案

图4 优化后模型图及温度分布图

对求解结果分析，再进行参数修改，增加散热齿，改变散热齿距，重复计算求解过程，计算出厚度、肋间距、肋高为不同数值时机箱最高模块温度的结果。机箱无散热齿时，最高模块温度是112.1℃；齿间距为6mm时，最高模块温度是83.93℃；齿间距为7mm时，最高模块温度是80.4℃；齿间距为8mm时，最高模块温度是84.85℃；齿间距为10mm时，最高模块温度是91.62℃。

比较结果并结合单位的实际加工工艺方法可以确定，在设备内器件（Sources9）最高温度达到80.4℃时（图4所示），机壳和机壳盖上热模块对应部分肋高为11mm，肋厚为1.5mm，肋间距为7mm，是较合理的设计方案。若齿间距减小，散热面积虽然增大，但风阻变大，而模块之间的温差增大，将对散热不利。

最后在建立整个系统模型的基础上，根据系统的求解结果，比较清楚的了解散热器所处的环境，然后再单独求解散热器的参数，进一步优化使散热器散热达到最佳状态，优化后确定机箱外形尺寸为:262mm×262mm×120mm的封闭铝制箱体，上下端盖全部为散热齿，将齿间距定为7mm。最后设备使用后，经测试与仿真相吻合，效果良好。

10 结论

大功率电子设备的散热设计比较复杂，应用Icepak软件，可以验证热设计方案的可行性和正确性，减少了重复设计，提高了设计效率，大大节约了制造成本。通过分析模拟、计算出的结果图，设备工作时的热量及温度分布情况相当直观，完全依靠自然散热达到了设计要求，使电子设备机箱最简化，继而对设计者在之后的结构设计中有很大的参考价值。可见热设计仿真在电子设备热设计中发挥着不可或缺的作用。

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