Icepak在电子设备热设计中的应用

于德江+李振超+王欢

摘 要：文章明确了热设计在产品设计过程中的重要性，介绍了电子设备散热的若干方法；对热分析软件Icepak的功能特点、应用范围以及仿真步骤进行了介绍，并利用Icepak软件进行了实例仿真。

关键词：Icepak；热设计；热仿真

1 概述

图1给出了基于Icepak （实线）和传统设计（虚线）的两种产品开发模式的比较。产品开发人员通过Pro/E等大型三维CAD设计软件进行产品的三维设计，建立产品的虚拟样机，基于Icepak的产品设计用在虚拟样机上的仿真替代了在物理样机上的测试，这样能够减少甚至取消物理样机的制造，大幅度地缩短研发流程，降低研发费用，提高设计质量。因此特别适合于物理样机制造周期长、费用昂贵的复杂产品的开发。

图1 两种开发模式的比较

2 电子设备的散热方法

2.1 传导

传导是由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。传导可以在固体、液体或气体中发生，它是在不透明固体中发生传热的唯一形式。对于电子设备，传导是一种非常重要的传热方式。

利用传导进行散热的方法有：增大接触面积、选择导热系数大的材料、缩短热流通路、提高接触面的表面质量、在接触面填导热脂或加导热垫、接触压力均匀等。

2.2 对流

对流是固体表面和流体表面间传热的主要方式。对流分为自由对流和强迫对流，是电子设备普遍采用的一种散热方式。产品设计中提到的风冷散热和水冷散热都属于对流散热方式。

2.3 辐射

辐射是在真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。提高辐射散热的方法有：提高冷体的黑度、增大辐射体与冷体之间的角系数、增大辐射面积等。

3 Icepak软件介绍

3.1 功能及特点

Icepak软件是专业的、面向工程师的电子产品热控分析软件，可以解决各种不同类型和尺度的热流耦合仿真问题，在航空和航天电子设备、通讯、汽车、电气、电源设备、通用电器及家电等诸多领域得到广泛应用。

Icepak具有以下技术特点：（1）建模快速，具有多种模型直接接口、现成的模型库、各种形状的几何模型。（2）自动网格生成，采用非结构化网格技术，支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格类型。（3）广泛的模型能力，拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型，包括流动模型和传热模型。（4）解算功能，采用计算流体动力学（CFD）求解器。（5）可视化后置处理。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于对象的模型模块对部件级、板级或系统级的问题进行建模。（2）定义整个系统的热计算区域。（3）定义各种材质的物理特性。（4）定义边界条件，如热流密度、导热率、传热系数、初始温度等计算时所必须的参数。（5）检查模型及物体定义，对计算区域进行网格划分，保存生成的网格文件。（6）检查气流，在求解之前通过估算Reynolds和Peclet参数以确定用层流模式还是湍流模式。（7）通过Icepak求解器读取保存的网格文件，设定监测点，设定迭代次数，开始计算。（8）查看计算结果，利用Icepak的后处理功能来显示监测点的各种参数曲线（若均收敛，说明网格优良，计算结果可信）、速度向量切面、温度云图以及速度、温度、压力的最大值等。

4 热仿真实例

某电子设备为航天设备，应用环境为真空，环境温度60℃，机箱材料为2A12铝合金，机箱内置9块电路板，总功率为12.98W，采用的散热方式为传导和辐射，具体方法为：（1）机箱氧化为黑色，以便提高辐射换热系数；（2）尽可能减少辐射的遮蔽，以提高辐射散热效果；（3）在机壳侧面开减轻槽，增加其侧表面积，加强辐射散热；（4）在电路板上设计冷板，元器件通过冷板与电路板电装在一起，通过冷板增加散热面积，将热量快速传导至机箱；（5）元器件底面及侧面加涂导热胶，使元器件底面和电路板底面可靠的大面积接触，增强元器件对电路板的传导效率。

为了验证热设计的可行性，利用Icepak软件对该电子设备进行了热仿真，三维模型与仿真模型如图2所示。

图2 某电子设备三维模型及仿真模型

模型建立完成，设置好计算区域，并定义好材料特性和边界条件后，对该电子设备进行网格划分。整个模型共划分559179个单元网格，367532个节点。设定好监测点和迭代次数，开始计算，收敛曲线和温度监测曲线如图3所示。

图3 热分析收敛曲线和温度监测曲线

利用Icepak后处理功能查看计算结果，最高温度出现在机箱内某电源板上，为79.4℃，满足器件需用温度范围，温度分布云图如图4所示。通过查看结果，该电子设备的热设计合理可行，能够满足环境使用要求。

图4 温度分布云图

参考文献

[1]余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]刘一兵.电子设备散热技术研究[J].电子工艺技术，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK软件三维热分析及应用[R].FLUENT第一届中国用户大会，2006：208-212.

[5]薛晨晖.大功率密封机箱的热设计[J].电子机械工程，2005，21（6）：4-7.

摘 要：文章明确了热设计在产品设计过程中的重要性，介绍了电子设备散热的若干方法；对热分析软件Icepak的功能特点、应用范围以及仿真步骤进行了介绍，并利用Icepak软件进行了实例仿真。

关键词：Icepak；热设计；热仿真

1 概述

图1给出了基于Icepak （实线）和传统设计（虚线）的两种产品开发模式的比较。产品开发人员通过Pro/E等大型三维CAD设计软件进行产品的三维设计，建立产品的虚拟样机，基于Icepak的产品设计用在虚拟样机上的仿真替代了在物理样机上的测试，这样能够减少甚至取消物理样机的制造，大幅度地缩短研发流程，降低研发费用，提高设计质量。因此特别适合于物理样机制造周期长、费用昂贵的复杂产品的开发。

图1 两种开发模式的比较

2 电子设备的散热方法

2.1 传导

传导是由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。传导可以在固体、液体或气体中发生，它是在不透明固体中发生传热的唯一形式。对于电子设备，传导是一种非常重要的传热方式。

利用传导进行散热的方法有：增大接触面积、选择导热系数大的材料、缩短热流通路、提高接触面的表面质量、在接触面填导热脂或加导热垫、接触压力均匀等。

2.2 对流

对流是固体表面和流体表面间传热的主要方式。对流分为自由对流和强迫对流，是电子设备普遍采用的一种散热方式。产品设计中提到的风冷散热和水冷散热都属于对流散热方式。

2.3 辐射

辐射是在真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。提高辐射散热的方法有：提高冷体的黑度、增大辐射体与冷体之间的角系数、增大辐射面积等。

3 Icepak软件介绍

3.1 功能及特点

Icepak软件是专业的、面向工程师的电子产品热控分析软件，可以解决各种不同类型和尺度的热流耦合仿真问题，在航空和航天电子设备、通讯、汽车、电气、电源设备、通用电器及家电等诸多领域得到广泛应用。

Icepak具有以下技术特点：（1）建模快速，具有多种模型直接接口、现成的模型库、各种形状的几何模型。（2）自动网格生成，采用非结构化网格技术，支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格类型。（3）广泛的模型能力，拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型，包括流动模型和传热模型。（4）解算功能，采用计算流体动力学（CFD）求解器。（5）可视化后置处理。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于对象的模型模块对部件级、板级或系统级的问题进行建模。（2）定义整个系统的热计算区域。（3）定义各种材质的物理特性。（4）定义边界条件，如热流密度、导热率、传热系数、初始温度等计算时所必须的参数。（5）检查模型及物体定义，对计算区域进行网格划分，保存生成的网格文件。（6）检查气流，在求解之前通过估算Reynolds和Peclet参数以确定用层流模式还是湍流模式。（7）通过Icepak求解器读取保存的网格文件，设定监测点，设定迭代次数，开始计算。（8）查看计算结果，利用Icepak的后处理功能来显示监测点的各种参数曲线（若均收敛，说明网格优良，计算结果可信）、速度向量切面、温度云图以及速度、温度、压力的最大值等。

4 热仿真实例

某电子设备为航天设备，应用环境为真空，环境温度60℃，机箱材料为2A12铝合金，机箱内置9块电路板，总功率为12.98W，采用的散热方式为传导和辐射，具体方法为：（1）机箱氧化为黑色，以便提高辐射换热系数；（2）尽可能减少辐射的遮蔽，以提高辐射散热效果；（3）在机壳侧面开减轻槽，增加其侧表面积，加强辐射散热；（4）在电路板上设计冷板，元器件通过冷板与电路板电装在一起，通过冷板增加散热面积，将热量快速传导至机箱；（5）元器件底面及侧面加涂导热胶，使元器件底面和电路板底面可靠的大面积接触，增强元器件对电路板的传导效率。

为了验证热设计的可行性，利用Icepak软件对该电子设备进行了热仿真，三维模型与仿真模型如图2所示。

图2 某电子设备三维模型及仿真模型

模型建立完成，设置好计算区域，并定义好材料特性和边界条件后，对该电子设备进行网格划分。整个模型共划分559179个单元网格，367532个节点。设定好监测点和迭代次数，开始计算，收敛曲线和温度监测曲线如图3所示。

图3 热分析收敛曲线和温度监测曲线

利用Icepak后处理功能查看计算结果，最高温度出现在机箱内某电源板上，为79.4℃，满足器件需用温度范围，温度分布云图如图4所示。通过查看结果，该电子设备的热设计合理可行，能够满足环境使用要求。

图4 温度分布云图

参考文献

[1]余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]刘一兵.电子设备散热技术研究[J].电子工艺技术，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK软件三维热分析及应用[R].FLUENT第一届中国用户大会，2006：208-212.

[5]薛晨晖.大功率密封机箱的热设计[J].电子机械工程，2005，21（6）：4-7.

摘 要：文章明确了热设计在产品设计过程中的重要性，介绍了电子设备散热的若干方法；对热分析软件Icepak的功能特点、应用范围以及仿真步骤进行了介绍，并利用Icepak软件进行了实例仿真。

关键词：Icepak；热设计；热仿真

1 概述

图1给出了基于Icepak （实线）和传统设计（虚线）的两种产品开发模式的比较。产品开发人员通过Pro/E等大型三维CAD设计软件进行产品的三维设计，建立产品的虚拟样机，基于Icepak的产品设计用在虚拟样机上的仿真替代了在物理样机上的测试，这样能够减少甚至取消物理样机的制造，大幅度地缩短研发流程，降低研发费用，提高设计质量。因此特别适合于物理样机制造周期长、费用昂贵的复杂产品的开发。

图1 两种开发模式的比较

2 电子设备的散热方法

2.1 传导

传导是由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。传导可以在固体、液体或气体中发生，它是在不透明固体中发生传热的唯一形式。对于电子设备，传导是一种非常重要的传热方式。

利用传导进行散热的方法有：增大接触面积、选择导热系数大的材料、缩短热流通路、提高接触面的表面质量、在接触面填导热脂或加导热垫、接触压力均匀等。

2.2 对流

对流是固体表面和流体表面间传热的主要方式。对流分为自由对流和强迫对流，是电子设备普遍采用的一种散热方式。产品设计中提到的风冷散热和水冷散热都属于对流散热方式。

2.3 辐射

辐射是在真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。提高辐射散热的方法有：提高冷体的黑度、增大辐射体与冷体之间的角系数、增大辐射面积等。

3 Icepak软件介绍

3.1 功能及特点

Icepak软件是专业的、面向工程师的电子产品热控分析软件，可以解决各种不同类型和尺度的热流耦合仿真问题，在航空和航天电子设备、通讯、汽车、电气、电源设备、通用电器及家电等诸多领域得到广泛应用。

Icepak具有以下技术特点：（1）建模快速，具有多种模型直接接口、现成的模型库、各种形状的几何模型。（2）自动网格生成，采用非结构化网格技术，支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格类型。（3）广泛的模型能力，拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型，包括流动模型和传热模型。（4）解算功能，采用计算流体动力学（CFD）求解器。（5）可视化后置处理。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于对象的模型模块对部件级、板级或系统级的问题进行建模。（2）定义整个系统的热计算区域。（3）定义各种材质的物理特性。（4）定义边界条件，如热流密度、导热率、传热系数、初始温度等计算时所必须的参数。（5）检查模型及物体定义，对计算区域进行网格划分，保存生成的网格文件。（6）检查气流，在求解之前通过估算Reynolds和Peclet参数以确定用层流模式还是湍流模式。（7）通过Icepak求解器读取保存的网格文件，设定监测点，设定迭代次数，开始计算。（8）查看计算结果，利用Icepak的后处理功能来显示监测点的各种参数曲线（若均收敛，说明网格优良，计算结果可信）、速度向量切面、温度云图以及速度、温度、压力的最大值等。

4 热仿真实例

某电子设备为航天设备，应用环境为真空，环境温度60℃，机箱材料为2A12铝合金，机箱内置9块电路板，总功率为12.98W，采用的散热方式为传导和辐射，具体方法为：（1）机箱氧化为黑色，以便提高辐射换热系数；（2）尽可能减少辐射的遮蔽，以提高辐射散热效果；（3）在机壳侧面开减轻槽，增加其侧表面积，加强辐射散热；（4）在电路板上设计冷板，元器件通过冷板与电路板电装在一起，通过冷板增加散热面积，将热量快速传导至机箱；（5）元器件底面及侧面加涂导热胶，使元器件底面和电路板底面可靠的大面积接触，增强元器件对电路板的传导效率。

为了验证热设计的可行性，利用Icepak软件对该电子设备进行了热仿真，三维模型与仿真模型如图2所示。

图2 某电子设备三维模型及仿真模型

模型建立完成，设置好计算区域，并定义好材料特性和边界条件后，对该电子设备进行网格划分。整个模型共划分559179个单元网格，367532个节点。设定好监测点和迭代次数，开始计算，收敛曲线和温度监测曲线如图3所示。

图3 热分析收敛曲线和温度监测曲线

利用Icepak后处理功能查看计算结果，最高温度出现在机箱内某电源板上，为79.4℃，满足器件需用温度范围，温度分布云图如图4所示。通过查看结果，该电子设备的热设计合理可行，能够满足环境使用要求。

图4 温度分布云图

参考文献

[1]余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]刘一兵.电子设备散热技术研究[J].电子工艺技术，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK软件三维热分析及应用[R].FLUENT第一届中国用户大会，2006：208-212.

[5]薛晨晖.大功率密封机箱的热设计[J].电子机械工程，2005，21（6）：4-7.