基于ICEPAK的某型方舱散热分析

王晓峰 刘琦 张秋冬

摘 要 本文针对方舱的散热问题展开分析，以某型方舱为例，对其内部的热量分布情况进行了计算，并根据计算结果对方舱进行了热设计和热仿真，仿真结果表明方舱内空调选型正确，可满足使用要求。

【关键词】方舱 icepak 热分析

方舱以其具有较强机动性和环境适应性而受到越来越广泛的应用。随着科学技术的进步，方舱正在向模块化、标准化、通用化和标准化方向发展。方舱可以根据不同的工作要求装载适宜运输的设备和相关操作人员，形成一套可以移动的系统，为了保证系统的正常运行，方舱内部需为设备和人员提供良好的工作环境。据统计55%的电子设备失效是由温度过高引起的。随着温度的升高，元器件失效率呈指数增长。因此，对方舱内部进行热分析具有重要意义。

1 方舱布局

本次分析的方舱由中间隔断分割为两部分，前部为设备舱，后部为工作舱。

如图1所示，设备舱主要放置三台机柜、一扇门和空调出入风口。工作舱主要放置一张会议桌、三把会议椅、两把车壁折叠椅和四扇窗户。整个舱顶部设置风道。隔断高度低于空调风道高度，方便空调回风。

2 方舱热功率

本次分析的方舱内的主要发热元件集中在3台机柜内，机柜1、机柜2、机柜3的功率如表1、表2、表3所示，设备的功耗约有30%能量转化为热能。

3 散热设计

3.1 环境参数

本次分析的方舱需保证在环境温度为40℃的情况下，30min内应将车内温度降低到不高于30℃。

3.2 热源分析

本次分析的方舱热源主要集中在设备舱中，安装在机柜上的系统电子设备耗散出很大的热量，特别是高频设备，散热量集中。另外，当方舱野外露天使用时，在太阳辐射下，方舱表面温度升高，虽然舱壁内有断热桥和隔热材料，但是长时间照射后还是会使舱内温度升高，恶化工作环境。

3.3 空调降温能力

采用空调制冷降温是目前降温的唯一选择，因此空调的降温能力是整车能否达到高温环境要求的关键，按照要求在环境温度为40℃的情况下，30min内应将车内温度降低到不高于30℃，下面根据这一要求就本车测试舱降温能力进行估算。

方舱热传导所需的耗冷量：

P1=K·S（T1-T2）=2×76.98×（40-30）=1539.6（W）

式中：

方舱热传导系数：K=2W/m2·℃；

方舱表面积：S=76.98m2；

环境温度：T1=40℃；

车内需降到的温度：T2=30℃。

方舱内电子设备的散热量：

方舱内电子设备包括各种电子设备、计算机等，其散出的热量可按下式计算：

P2=n1×n2×n3×n4×N

式中：

N——各电子设备最大输入功率总和，取N=3430W；

n1——安装系数（设计功率与安装功率之比），设为0.8；

n2——负荷系数（平均功率与设计功率之比），设为0.7；

n3——同时使用系数，一般取0.7；

n4——蓄热系数，一般取0.8。

则P2=0.8×0.7×0.7×0.8×3430≈1075（W）。

方舱内工作人员人体散热量P3=n.q=5×145=725（W）；

式中：

n为工作厢内工作人员的数量；

q为单个人的散热量（夏季），取为145W/人；

预冷设备及材料消耗的热功率P4=300（W）：

方舱内空气耗冷量P5=CP·ρ·V·△T/Zt=（1000×1.29×25.53×10）/1800≈183W：

式中：

CP—定压比热取1kJ/kg·m3；

ρ—空气比重取1.29kg/m3；

V—方舱内部容积，取44.2m3；

Zt—调节时间，取Zt=30min=1800s。

太阳辐射进入方舱的热功率：

P6=K·FP·（Tm-T）=2×30.25×20=1210W

式中：

K—廂壁的平均传热系数，取2W/（m2·3℃）；

FP—向阳面的最大面积，取30.25m2；

Tm—太阳照射下向阳面的平均温度，计算时取为Tm=T+20；

T—方舱外环境温度。

总耗冷量：

P=P1+P2+P3+P4+P5+P6

=1539.6+1075+725+300+183+1210=5177.6W

根据以上计算可知：当环境温度为40℃时，将方舱内的温度降至30℃时所消耗的制冷量为5177.6 W，本车选用1台军用空调，其额定制冷能力为6000W，按GJB1913A《军用方舱空调设备通用规范》规定的额定值95%效能计算，本空调制冷能力为5700W，能够满足要求。

3.4 仿真分析

使用Icepak对方舱内部进行热仿真。建立热力学模型并且划分网格，外部环境空气温度设为40℃，压力为一个标准大气压，经Icepak计算求解，得出具体结果如图1～5所示，根据分析结果可知舱内设备最高温度为29.5℃满足本次使用要求。

4 结论

本文以某一方舱为例对方舱内部的热量分布情况和进行了理论计算并根据计算结果对空调进行了选型，在此基础上采用Icepak对方舱的温度分布情况进行了仿真分析，仿真结果表明本次空调选型正确，舱内温度分布可满足使用要求。

参考文献

[1]陈洁茹，朱敏波，齐颖.Icepak在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程，2005，21（01）：14-16.

[2]邱成悌，赵殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].东南大学出版社，2005（01）：562.

[3]中国人民解放军总装备部.军用通信车通用规范[S].总装备部军标出版发行部，2005：1-61.

作者简介

王晓峰（1984-），男，山西省偏关县人。工程师。研究方向为载车结构强度和热分析技术。

作者单位

中国电子科技集团公司第十五研究所 北京市 100083