王 娟，楊 剛，熊 強(qiáng)

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000)

Icepak在電子設(shè)備水冷熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 娟，楊 剛，熊 強(qiáng)

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000)

隨著電子設(shè)備熱流密度的急劇增大，熱仿真軟件在熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用日益廣泛。文中通過某緊湊型大功耗天線罩內(nèi)設(shè)備在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用時(shí)的熱設(shè)計(jì)計(jì)算，闡述了熱設(shè)計(jì)的一些基本設(shè)計(jì)思路以及常規(guī)設(shè)計(jì)方案，同時(shí)詳細(xì)介紹了仿真軟件Icepak在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用狀況，凸顯了仿真軟件在熱設(shè)計(jì)中的重要性。

熱流密度；熱設(shè)計(jì)；Icepak；電子設(shè)備

引 言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元器件日趨小型化，而功耗卻越來越高，使組件和設(shè)備的熱流密度急劇增大。統(tǒng)計(jì)指出，電子產(chǎn)品故障有55%以上是因冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良所致[1-2]。所以熱設(shè)計(jì)成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)[3]，合理的熱設(shè)計(jì)能有效提升電子元器件和設(shè)備的可靠性。

本文以某緊湊型大功耗天線罩內(nèi)設(shè)備中的一個(gè)14路數(shù)字T/R組件為例，闡述熱設(shè)計(jì)的一些基本設(shè)計(jì)思路以及常規(guī)設(shè)計(jì)方案，針對設(shè)備的實(shí)際情況確定適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)方案。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中仿真軟件Icepak的應(yīng)用始終貫穿其中，首先利用軟件進(jìn)行設(shè)備的摸底計(jì)算，模擬其發(fā)熱情況，確定高溫器件的位置及最高溫度；其后基于摸底結(jié)論和設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行熱設(shè)計(jì)并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真計(jì)算；最后對樣機(jī)進(jìn)行熱測試試驗(yàn)以驗(yàn)證仿真結(jié)論的可靠性。

1 問題描述

該設(shè)備是某天線罩內(nèi)設(shè)備中的一個(gè)14路數(shù)字T/R組件。模型包括機(jī)箱箱體、機(jī)箱蓋板，1個(gè)電源模塊，1個(gè)處理板，1個(gè)14路T/R通道。其中電源模塊位于外側(cè)，緊靠箱體側(cè)蓋板；14路的T/R通道分為上下兩層均衡布局；處理板位于T/R通道上方，緊靠機(jī)箱上蓋板。環(huán)境溫度為60 ℃時(shí)，元器件允許的極限溫度為85 ℃。模型中各零部件的基本參數(shù)如下：

1)機(jī)箱箱體、蓋板：材料為硬鋁5A06；

2)電源模塊：1塊PCB板，基板材料為FR-4，8個(gè)元器件，總發(fā)熱功耗為85 W；

3)處理板：1塊PCB板，基板材料為FR-4，85個(gè)元器件，總發(fā)熱功耗為32 W；

4)T/R通道：14塊PCB板，基板材料為FR-4，共182個(gè)元器件，總發(fā)熱功耗為28 W。

設(shè)該備未進(jìn)行任何特殊熱設(shè)計(jì)時(shí)的初始CAD模型如圖1所示。

圖1 CAD初始模型

2 熱設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

首先按照自然散熱的方式對設(shè)備的初始模型進(jìn)行摸底計(jì)算，模擬其發(fā)熱情況，確定高溫器件的位置及最高溫度等，為進(jìn)一步的熱設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。然后基于摸底計(jì)算的結(jié)論和設(shè)備的具體使用情況進(jìn)行進(jìn)一步的熱設(shè)計(jì)。

2.1 創(chuàng)建CFD模型

模型的創(chuàng)建包括幾何尺寸、物性參數(shù)、邊界條件的設(shè)定，其中物性參數(shù)包括材料、輻射、熱源、流動(dòng)狀態(tài)等。對于該設(shè)備，機(jī)箱箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故借助Icepro將CAD初始模型導(dǎo)入，在此基礎(chǔ)上利用Icepak模型庫內(nèi)的cabinet、block、source、pcb分別設(shè)定機(jī)箱的計(jì)算域、蓋板、熱源、PCB板。元器件數(shù)量多是該設(shè)備的一大特點(diǎn)，為簡化模型加快計(jì)算速度，對元器件進(jìn)行了相應(yīng)簡化。簡化原則是各模塊上僅保留發(fā)熱量相對較大的器件，而忽略發(fā)熱量相對較小的器件，將這部分發(fā)熱功耗等效地加在相應(yīng)的PCB板上。按照自然散熱的狀態(tài)設(shè)定邊界條件，流體默認(rèn)為空氣。圖2為該設(shè)備的CFD模型。

圖2 CFD模型

2.2 劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分是整個(gè)仿真過程的重要環(huán)節(jié)，決定著計(jì)算結(jié)果的可靠性。網(wǎng)格類型選擇Hexahedral unstructured，基于該模型的熱功耗分布狀況和結(jié)構(gòu)特性，將電源模塊、處理板和14路T/R通道分別建立為獨(dú)立的assembly，創(chuàng)建非連續(xù)網(wǎng)格。在Global Setting中開啟Mesh assemblies separately選項(xiàng)對這幾處assembly進(jìn)行局部加密完成網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成后點(diǎn)擊Mesh control中的Quality選項(xiàng)，檢查網(wǎng)格質(zhì)量。Icepak有4個(gè)網(wǎng)格質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)，其中Face alignment(面對齊)是最重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)，即最小單元值大于0.15則認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量佳，最小單元值小于0.05則認(rèn)為網(wǎng)格不合格。點(diǎn)擊Face alignment選項(xiàng)，顯示最小單元值大于0.15，因此網(wǎng)格質(zhì)量較好，滿足計(jì)算要求。網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

圖3 CFD模型計(jì)算網(wǎng)格圖

2.3 求解計(jì)算

模型求解前須先進(jìn)行氣流檢查，確定模型的流態(tài)。當(dāng)雷諾數(shù)Re小于2 200時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流；當(dāng)Re大于2 200小于104時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)為層流向紊流過渡；當(dāng)Re大于104時(shí)流動(dòng)狀態(tài)為紊流。經(jīng)計(jì)算Re為1 335.8，流態(tài)設(shè)置為層流，采用零方程模型。點(diǎn)擊Solve開始計(jì)算，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量較高，模型的殘差曲線很快收斂。圖4給出了模型在自然對流狀態(tài)下的溫度分布圖。

圖4 自然對流狀態(tài)下初始模型的溫度云圖

由圖4可知，環(huán)境溫度為60 ℃時(shí)，器件的最高溫度(108.99 ℃)超過了設(shè)計(jì)要求的極限溫度(85 ℃)，且機(jī)箱體內(nèi)部溫度均在100 ℃以上，基于這種狀況迫切需要對模型采取必要的散熱措施。

2.4 分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

通過對該設(shè)備的工作原理、使用條件、周邊環(huán)境等分析可知設(shè)備主要有以下幾種熱源：

1)各元器件、PCB等在有限的密閉空間中耗散大量的熱量，從而造成較高的熱流密度；

2)機(jī)箱內(nèi)各功能PCB布局緊湊、間距較小且出現(xiàn)了疊層安裝的情況，不利于內(nèi)部氣流流通；

3)密閉機(jī)箱通過導(dǎo)熱、對流和熱輻射的形式和周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換。

在初始模型中，設(shè)備內(nèi)部熱量通過輻射、對流、傳導(dǎo)傳向設(shè)備機(jī)箱，再由機(jī)箱通過輻射和對流向外部環(huán)境傳遞，從而達(dá)到散熱的目的。

對于類似該設(shè)備的情況，常規(guī)的散熱措施包括：1)增開散熱孔；2)加裝散熱片；3)加裝風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫對流散熱；4)提高機(jī)箱向外界的散熱能力。該設(shè)備的實(shí)際狀況是：1)該設(shè)備為密封式電子設(shè)備，不可開任何散熱孔；2)該設(shè)備安裝于天線罩內(nèi)，罩內(nèi)空間有限，不便于在箱體外部加裝散熱片和風(fēng)機(jī)；3)該設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布局緊湊，亦不便于在箱體內(nèi)部加裝散熱片和風(fēng)機(jī)；4)可通過在機(jī)箱外部涂覆相關(guān)涂料以提高機(jī)箱的散熱能力。

綜合上述情況決定采用水冷散熱。基于模型的結(jié)構(gòu)特性和大功耗器件的分布狀況，在箱體內(nèi)部增加一條直徑5 mm的水冷通道，通道的入口端緊靠熱功耗最為集中的電源模塊，出口端位于兩層T/R通道之間；同時(shí)改變電源模塊內(nèi)印制板的安裝狀態(tài)，使板上的大功耗器件緊靠腔體底部，并在器件與腔體間粘貼導(dǎo)熱墊，增加傳導(dǎo)散熱；最后對整個(gè)機(jī)箱以及蓋板進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，并在設(shè)備外表面涂抹一層光滑有機(jī)涂料以提高輻射散熱。改進(jìn)后的CAD模型見圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的CAD模型

根據(jù)上述方案對CFD模型進(jìn)行相應(yīng)修改：

1)修改Basic parameters中的相應(yīng)參數(shù)，氣流：穩(wěn)態(tài)，層流；輻射與重力場均關(guān)閉；流體：水；入口溫度：25 ℃；

2)在CFD模型相應(yīng)位置增加直徑5 mm的水冷通道，更改電源模塊內(nèi)部布局；

3)新建2個(gè)直徑5 mm的opening作為水冷通道的進(jìn)出口，其中opening.1為水冷通道的出口，設(shè)置為自由出口條件；opening.2為水冷通道的入口，入口流速為0.423 m3/s。

4)改變箱體和蓋板的材料屬性，提高材料的熱輻射。

對更改后的模型重新劃分網(wǎng)格，求解。各模塊的溫度云圖如圖6所示。環(huán)境溫度為60 ℃時(shí)，A點(diǎn)溫度為67.1 ℃，B點(diǎn)溫度為70.1 ℃，C點(diǎn)溫度為66.7 ℃。器件最高溫度降至70.6 ℃，在允許工作溫度范圍內(nèi)，且機(jī)箱內(nèi)部溫度降至63 ℃。這是由于新增的水冷通道通過傳導(dǎo)散熱帶走了大量熱量，降低了整個(gè)機(jī)箱的溫度，達(dá)到了熱設(shè)計(jì)要求(最高溫度85 ℃)。

圖6 改進(jìn)后模型的溫度云圖

2.5 熱評估試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)論的可靠性，對帶水冷通道的機(jī)箱進(jìn)行了熱測試。試驗(yàn)中恒溫箱溫度設(shè)定為60 ℃，機(jī)箱放在恒溫箱中連續(xù)工作2 h，采用GL700熱測試儀測量選定點(diǎn)A、B、C的溫度，見圖7。測量結(jié)果分別為64.1 ℃、68.8 ℃和62.3 ℃，比仿真結(jié)果稍低，但在允許誤差范圍內(nèi)(±10%)。這個(gè)測量結(jié)果驗(yàn)證了仿真設(shè)計(jì)的可靠性。

圖7 測溫點(diǎn)分布

3 結(jié)束語

本文以14路數(shù)字T/R組件的熱設(shè)計(jì)仿真為例，闡述了熱設(shè)計(jì)的一些基本設(shè)計(jì)思路以及常規(guī)設(shè)計(jì)方案，完整地展示了利用Icepak軟件進(jìn)行電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過程，驗(yàn)證了Icepak在熱設(shè)計(jì)過程中的重要性。應(yīng)用Icepak軟件不僅可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和正確性、減少重復(fù)設(shè)計(jì)、節(jié)約成本，還能很好地提高設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間?？梢姛嵩O(shè)計(jì)仿真在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中發(fā)揮著不可或缺的作用。

[1] 于慈遠(yuǎn). 計(jì)算機(jī)輔助電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計(jì)及熱測量技術(shù)的研究[R]. 北京: 北京國家圖書館, 2000.

[2] 邱成悌, 趙惇殳, 蔣全興. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 南京: 東南大學(xué)出版社, 2005.

[3] 陳潔茹, 朱敏波, 齊穎. Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2005, 21(1): 14-16.

王 娟(1985-)，女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

Application of Icepak in Thermal Design of Liquid-cooling Electronic Equipment

WANG Juan，YANG Gang，XIONG Qiang

(SichuanJiuZhouAERON,Mianyang621000,China)

With the rapid increase of thermal flux of electronic equipment, thermal simulation software is used in thermal design more and more widely. This article elaborates basic design ideas and general schemes of thermal design through the thermal design calculations of the large power equipment in a compact radome operating in harsh environment condition. The application of Icepak throughout the design process is discussed in detail, and the importance of simulation software in thermal design is highlighted.

thermal flux; thermal design; Icepak; electronic equipment

2015-07-21

TK124；TP391.9

A

1008-5300(2015)06-0019-03