Icepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

于德江+李振超+王歡

摘 要：文章明確了熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要性，介紹了電子設(shè)備散熱的若干方法；對熱分析軟件Icepak的功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及仿真步驟進(jìn)行了介紹，并利用Icepak軟件進(jìn)行了實(shí)例仿真。

關(guān)鍵詞：Icepak；熱設(shè)計(jì)；熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak （實(shí)線）和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)（虛線）的兩種產(chǎn)品開發(fā)模式的比較。產(chǎn)品開發(fā)人員通過Pro/E等大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，基于Icepak的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用在虛擬樣機(jī)上的仿真替代了在物理樣機(jī)上的測試，這樣能夠減少甚至取消物理樣機(jī)的制造，大幅度地縮短研發(fā)流程，降低研發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此特別適合于物理樣機(jī)制造周期長、費(fèi)用昂貴的復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)。

圖1 兩種開發(fā)模式的比較

2 電子設(shè)備的散熱方法

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動能從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生，它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對于電子設(shè)備，傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有：增大接觸面積、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質(zhì)量、在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強(qiáng)迫對流，是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點(diǎn)

Icepak軟件是專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱控分析軟件，可以解決各種不同類型和尺度的熱流耦合仿真問題，在航空和航天電子設(shè)備、通訊、汽車、電氣、電源設(shè)備、通用電器及家電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn)：（1）建?？焖?，具有多種模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫、各種形狀的幾何模型。（2）自動網(wǎng)格生成，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。（3）廣泛的模型能力，擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括流動模型和傳熱模型。（4）解算功能，采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）求解器。（5）可視化后置處理。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統(tǒng)級的問題進(jìn)行建模。（2）定義整個系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域。（3）定義各種材質(zhì)的物理特性。（4）定義邊界條件，如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時所必須的參數(shù)。（5）檢查模型及物體定義，對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保存生成的網(wǎng)格文件。（6）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式。（7）通過Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件，設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)定迭代次數(shù)，開始計(jì)算。（8）查看計(jì)算結(jié)果，利用Icepak的后處理功能來顯示監(jiān)測點(diǎn)的各種參數(shù)曲線（若均收斂，說明網(wǎng)格優(yōu)良，計(jì)算結(jié)果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實(shí)例

某電子設(shè)備為航天設(shè)備，應(yīng)用環(huán)境為真空，環(huán)境溫度60℃，機(jī)箱材料為2A12鋁合金，機(jī)箱內(nèi)置9塊電路板，總功率為12.98W，采用的散熱方式為傳導(dǎo)和輻射，具體方法為：（1）機(jī)箱氧化為黑色，以便提高輻射換熱系數(shù)；（2）盡可能減少輻射的遮蔽，以提高輻射散熱效果；（3）在機(jī)殼側(cè)面開減輕槽，增加其側(cè)表面積，加強(qiáng)輻射散熱；（4）在電路板上設(shè)計(jì)冷板，元器件通過冷板與電路板電裝在一起，通過冷板增加散熱面積，將熱量快速傳導(dǎo)至機(jī)箱；（5）元器件底面及側(cè)面加涂導(dǎo)熱膠，使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸，增強(qiáng)元器件對電路板的傳導(dǎo)效率。

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的可行性，利用Icepak軟件對該電子設(shè)備進(jìn)行了熱仿真，三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設(shè)備三維模型及仿真模型

模型建立完成，設(shè)置好計(jì)算區(qū)域，并定義好材料特性和邊界條件后，對該電子設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個模型共劃分559179個單元網(wǎng)格，367532個節(jié)點(diǎn)。設(shè)定好監(jiān)測點(diǎn)和迭代次數(shù)，開始計(jì)算，收斂曲線和溫度監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監(jiān)測曲線

利用Icepak后處理功能查看計(jì)算結(jié)果，最高溫度出現(xiàn)在機(jī)箱內(nèi)某電源板上，為79.4℃，滿足器件需用溫度范圍，溫度分布云圖如圖4所示。通過查看結(jié)果，該電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)合理可行，能夠滿足環(huán)境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻(xiàn)

[1]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù)，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用[R].FLUENT第一屆中國用戶大會，2006：208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2005，21（6）：4-7.

摘 要：文章明確了熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要性，介紹了電子設(shè)備散熱的若干方法；對熱分析軟件Icepak的功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及仿真步驟進(jìn)行了介紹，并利用Icepak軟件進(jìn)行了實(shí)例仿真。

關(guān)鍵詞：Icepak；熱設(shè)計(jì)；熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak （實(shí)線）和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)（虛線）的兩種產(chǎn)品開發(fā)模式的比較。產(chǎn)品開發(fā)人員通過Pro/E等大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，基于Icepak的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用在虛擬樣機(jī)上的仿真替代了在物理樣機(jī)上的測試，這樣能夠減少甚至取消物理樣機(jī)的制造，大幅度地縮短研發(fā)流程，降低研發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此特別適合于物理樣機(jī)制造周期長、費(fèi)用昂貴的復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)。

圖1 兩種開發(fā)模式的比較

2 電子設(shè)備的散熱方法

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動能從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生，它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對于電子設(shè)備，傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有：增大接觸面積、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質(zhì)量、在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強(qiáng)迫對流，是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點(diǎn)

Icepak軟件是專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱控分析軟件，可以解決各種不同類型和尺度的熱流耦合仿真問題，在航空和航天電子設(shè)備、通訊、汽車、電氣、電源設(shè)備、通用電器及家電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn)：（1）建?？焖伲哂卸喾N模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫、各種形狀的幾何模型。（2）自動網(wǎng)格生成，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。（3）廣泛的模型能力，擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括流動模型和傳熱模型。（4）解算功能，采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）求解器。（5）可視化后置處理。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統(tǒng)級的問題進(jìn)行建模。（2）定義整個系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域。（3）定義各種材質(zhì)的物理特性。（4）定義邊界條件，如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時所必須的參數(shù)。（5）檢查模型及物體定義，對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保存生成的網(wǎng)格文件。（6）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式。（7）通過Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件，設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)定迭代次數(shù)，開始計(jì)算。（8）查看計(jì)算結(jié)果，利用Icepak的后處理功能來顯示監(jiān)測點(diǎn)的各種參數(shù)曲線（若均收斂，說明網(wǎng)格優(yōu)良，計(jì)算結(jié)果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實(shí)例

某電子設(shè)備為航天設(shè)備，應(yīng)用環(huán)境為真空，環(huán)境溫度60℃，機(jī)箱材料為2A12鋁合金，機(jī)箱內(nèi)置9塊電路板，總功率為12.98W，采用的散熱方式為傳導(dǎo)和輻射，具體方法為：（1）機(jī)箱氧化為黑色，以便提高輻射換熱系數(shù)；（2）盡可能減少輻射的遮蔽，以提高輻射散熱效果；（3）在機(jī)殼側(cè)面開減輕槽，增加其側(cè)表面積，加強(qiáng)輻射散熱；（4）在電路板上設(shè)計(jì)冷板，元器件通過冷板與電路板電裝在一起，通過冷板增加散熱面積，將熱量快速傳導(dǎo)至機(jī)箱；（5）元器件底面及側(cè)面加涂導(dǎo)熱膠，使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸，增強(qiáng)元器件對電路板的傳導(dǎo)效率。

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的可行性，利用Icepak軟件對該電子設(shè)備進(jìn)行了熱仿真，三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設(shè)備三維模型及仿真模型

模型建立完成，設(shè)置好計(jì)算區(qū)域，并定義好材料特性和邊界條件后，對該電子設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個模型共劃分559179個單元網(wǎng)格，367532個節(jié)點(diǎn)。設(shè)定好監(jiān)測點(diǎn)和迭代次數(shù)，開始計(jì)算，收斂曲線和溫度監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監(jiān)測曲線

利用Icepak后處理功能查看計(jì)算結(jié)果，最高溫度出現(xiàn)在機(jī)箱內(nèi)某電源板上，為79.4℃，滿足器件需用溫度范圍，溫度分布云圖如圖4所示。通過查看結(jié)果，該電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)合理可行，能夠滿足環(huán)境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻(xiàn)

[1]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù)，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用[R].FLUENT第一屆中國用戶大會，2006：208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2005，21（6）：4-7.

摘 要：文章明確了熱設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要性，介紹了電子設(shè)備散熱的若干方法；對熱分析軟件Icepak的功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及仿真步驟進(jìn)行了介紹，并利用Icepak軟件進(jìn)行了實(shí)例仿真。

關(guān)鍵詞：Icepak；熱設(shè)計(jì)；熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak （實(shí)線）和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)（虛線）的兩種產(chǎn)品開發(fā)模式的比較。產(chǎn)品開發(fā)人員通過Pro/E等大型三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)，建立產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)，基于Icepak的產(chǎn)品設(shè)計(jì)用在虛擬樣機(jī)上的仿真替代了在物理樣機(jī)上的測試，這樣能夠減少甚至取消物理樣機(jī)的制造，大幅度地縮短研發(fā)流程，降低研發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此特別適合于物理樣機(jī)制造周期長、費(fèi)用昂貴的復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)。

圖1 兩種開發(fā)模式的比較

2 電子設(shè)備的散熱方法

2.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是由于動能從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導(dǎo)可以在固體、液體或氣體中發(fā)生，它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對于電子設(shè)備，傳導(dǎo)是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有：增大接觸面積、選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質(zhì)量、在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強(qiáng)迫對流，是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點(diǎn)

Icepak軟件是專業(yè)的、面向工程師的電子產(chǎn)品熱控分析軟件，可以解決各種不同類型和尺度的熱流耦合仿真問題，在航空和航天電子設(shè)備、通訊、汽車、電氣、電源設(shè)備、通用電器及家電等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

Icepak具有以下技術(shù)特點(diǎn)：（1）建模快速，具有多種模型直接接口、現(xiàn)成的模型庫、各種形狀的幾何模型。（2）自動網(wǎng)格生成，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網(wǎng)格類型。（3）廣泛的模型能力，擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括流動模型和傳熱模型。（4）解算功能，采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）求解器。（5）可視化后置處理。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統(tǒng)級的問題進(jìn)行建模。（2）定義整個系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域。（3）定義各種材質(zhì)的物理特性。（4）定義邊界條件，如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時所必須的參數(shù)。（5）檢查模型及物體定義，對計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，保存生成的網(wǎng)格文件。（6）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式。（7）通過Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件，設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)，設(shè)定迭代次數(shù)，開始計(jì)算。（8）查看計(jì)算結(jié)果，利用Icepak的后處理功能來顯示監(jiān)測點(diǎn)的各種參數(shù)曲線（若均收斂，說明網(wǎng)格優(yōu)良，計(jì)算結(jié)果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實(shí)例

某電子設(shè)備為航天設(shè)備，應(yīng)用環(huán)境為真空，環(huán)境溫度60℃，機(jī)箱材料為2A12鋁合金，機(jī)箱內(nèi)置9塊電路板，總功率為12.98W，采用的散熱方式為傳導(dǎo)和輻射，具體方法為：（1）機(jī)箱氧化為黑色，以便提高輻射換熱系數(shù)；（2）盡可能減少輻射的遮蔽，以提高輻射散熱效果；（3）在機(jī)殼側(cè)面開減輕槽，增加其側(cè)表面積，加強(qiáng)輻射散熱；（4）在電路板上設(shè)計(jì)冷板，元器件通過冷板與電路板電裝在一起，通過冷板增加散熱面積，將熱量快速傳導(dǎo)至機(jī)箱；（5）元器件底面及側(cè)面加涂導(dǎo)熱膠，使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸，增強(qiáng)元器件對電路板的傳導(dǎo)效率。

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的可行性，利用Icepak軟件對該電子設(shè)備進(jìn)行了熱仿真，三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設(shè)備三維模型及仿真模型

模型建立完成，設(shè)置好計(jì)算區(qū)域，并定義好材料特性和邊界條件后，對該電子設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)格劃分。整個模型共劃分559179個單元網(wǎng)格，367532個節(jié)點(diǎn)。設(shè)定好監(jiān)測點(diǎn)和迭代次數(shù)，開始計(jì)算，收斂曲線和溫度監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監(jiān)測曲線

利用Icepak后處理功能查看計(jì)算結(jié)果，最高溫度出現(xiàn)在機(jī)箱內(nèi)某電源板上，為79.4℃，滿足器件需用溫度范圍，溫度分布云圖如圖4所示。通過查看結(jié)果，該電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)合理可行，能夠滿足環(huán)境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻(xiàn)

[1]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù)，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應(yīng)用[R].FLUENT第一屆中國用戶大會，2006：208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2005，21（6）：4-7.