電子設(shè)備熱分析技術(shù)及軟件應(yīng)用

肖果果

摘 要：加強(qiáng)對電子設(shè)備熱分析技術(shù)的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的有效熱控制，從而保障其使用性能和壽命。文中論述了熱分析技術(shù)的兩種方法，即解析法和數(shù)值法的解題思路和步驟，并對熱分析軟件在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中的運(yùn)用進(jìn)行了研究探索，結(jié)合設(shè)備級熱分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，達(dá)到了較高的精度，滿足工程需求。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；熱分析；解析法；數(shù)值法；熱模型

1.電子設(shè)備熱分析的理論

電子設(shè)備的散熱主要有三種方式，分別為對流散熱、輻射散熱和導(dǎo)熱，對流散熱是利用元器件表面和周圍接觸，由于存在溫度的差距而進(jìn)行的熱量交換，實(shí)際的散熱有自然對流和強(qiáng)迫對流兩種，自然對流也叫被動(dòng)散熱，通常不采用風(fēng)扇燈散熱措施，利用電子元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量與周圍自然存在的溫差進(jìn)行熱交換。強(qiáng)迫散熱也叫主動(dòng)散熱，利用風(fēng)扇、水冷等方式，人為的增加電子元器件和周圍之間的溫差，根據(jù)牛頓冷卻方程qn=h（Tw-Tf），其中h為換熱系數(shù)，Tw為電子元器件表面的溫度，Tf為周圍流體的溫度。導(dǎo)熱理論是建立在傅立葉定律的基礎(chǔ)上，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為qn=λdT/dx，λ為電子元器件材料的導(dǎo)熱系數(shù)，qn為熱流密度。

2.數(shù)值法解題思路和步驟

用有限體積法求解熱分析問題。他們的思維方法，主要分為四個(gè)階段的電子設(shè)備來解決分析溫度場的分布的網(wǎng)格技術(shù)能解決區(qū)域離散，首先，對多個(gè)微元體，然后指導(dǎo)下的三個(gè)能量守恒定律，分別建立了適用于每一個(gè)無窮小的身體積分方程，這些方程根據(jù)空間和時(shí)間是離散的情況，最終獲得電子設(shè)備解決方案的溫度場分布。電子器件熱分析的數(shù)值方法不簡單，包括建模、輸入?yún)?shù)、劃分網(wǎng)格和后處理等幾個(gè)步驟。根據(jù)熱分析的必要性相關(guān)電子設(shè)備熱分析模型的建立首先，然后輸入所需的參數(shù)（如材料參數(shù)、設(shè)備能耗和環(huán)境溫度和發(fā)射率，等等），這些參數(shù)分為網(wǎng)格和計(jì)算，計(jì)算精度和多少百分比的嚙合關(guān)系。最后，根據(jù)溫度場分布描述的動(dòng)畫、圖形或報(bào)告的形式，根據(jù)熱分析的結(jié)果，選擇有效的信息來指導(dǎo)您的設(shè)計(jì)。過程的熱分析、建模、輸入?yún)?shù)是關(guān)鍵是最大的一個(gè)工作負(fù)載的一部分，只有建模的精度和正確的輸入?yún)?shù)隨后的分析和計(jì)算，所以必須基于對象的分析建立良好的熱分析模型，并獲得準(zhǔn)確的邊界條件。在實(shí)際應(yīng)用程序中，復(fù)雜的各種電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)決定了邊界條件輸入階段可能存在錯(cuò)誤，所以必須確保準(zhǔn)確的參數(shù)以達(dá)到精確建模過程中，可以使用各種手段和方式來減少錯(cuò)誤。

3.熱分析模型的建立

Icepak解決這一問題的一般過程是：設(shè)置初始參數(shù)，建立計(jì)算模型，劃分網(wǎng)格，求解問題，并顯示結(jié)果。黑體的目標(biāo)是實(shí)際物體的輻射輻射和相同的溫度黑體比。材料的發(fā)射率、表面溫度和表面氧化程度。通過對被測物體發(fā)射率的測試，結(jié)果表明，物體的氧化程度越高，黑度越高。因此，為了提高物體的黑度，在表面采取黑氧化處理。在建模中，由于主體的外表面是多面體，內(nèi)部是一個(gè)圓形通道，在主體的頂部和前部有矩形通道，為了方便在主體中開口，采用12邊形代替圓。在實(shí)體開放應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）如果你想打開一個(gè)多邊形或氣缸中的矩形孔，開口直接使用不能實(shí)現(xiàn)，必須使用擋塊式流體，并可以實(shí)現(xiàn)；（2）在矩形孔打開多邊形或多面體，必須使用擋液，還用一個(gè)開口的實(shí)現(xiàn)。

4.應(yīng)用實(shí)例

一個(gè)電子設(shè)備的熱分析與Icepak軟件為例進(jìn)行的，和熱分析的結(jié)果與實(shí)際測量值的比較。電子設(shè)備中大功率耗散的主要模塊3功率放大器模塊，以低于113w總功耗。所需的設(shè)備應(yīng)限于2U高19英寸的盒子，和可用的尺寸不得超過：38×38×8立方厘米（長*寬*高）。機(jī)柜的上部是空的，高3cm，用來安裝模塊、主體、高5cm會計(jì)，占2厘米高的熱導(dǎo)率、高散熱齒占3cm，齒寬5mm，間隔5mm，統(tǒng)一安排自然冷卻機(jī)。原始模型的基本參數(shù)如下：機(jī)箱的散熱材料是鋁合金5A05，功率放大器的輸出功率113w，允許極限溫度是65度。模型的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。根據(jù)上述模塊，預(yù)布局和散熱殼體參數(shù)，使用冰pak4.0熱分析軟件，熱分布模擬分析的連續(xù)運(yùn)行，得到了在不同環(huán)境溫度條件下的熱分布如圖5所示，圖6所示。熱分析結(jié)果測量的同一溫度的結(jié)果具體見表1。熱模擬結(jié)果與實(shí)際溫度基本吻合，誤差分別為6.69%和10.04%，基本滿足工程設(shè)計(jì)要求。這些誤差可能是由于邊界條件的不精確和功率參數(shù)的誤差引起的，不影響電子設(shè)備的熱分析設(shè)計(jì)。

5.計(jì)算結(jié)果

在求解計(jì)算模型之前，需要對迭代步驟和收斂準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)定。Icepak軟件在流動(dòng)和傳熱問題上，求解三個(gè)控制方程，即連續(xù)方程、質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程（速度）和能量守恒方程（溫度）。如果在計(jì)算方程的過程中發(fā)現(xiàn)其中的任何一個(gè)都不是收斂的，那么我們就需要解決，來檢查網(wǎng)格模型和視圖是否錯(cuò)誤，在修改后求解，直到迭代收斂。圖2為原始模型在自然對流散熱中的溫度分布。

計(jì)算結(jié)果表明，組件的最高溫度（164.34℃）超過了設(shè)計(jì)要求的最大允許溫度（112℃），這需要冷卻措施。簡單有效的措施包括：增加散熱器；增加風(fēng)機(jī)，強(qiáng)制對流換熱。為了降低部件的噪聲和維護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性，首先采用加熱爐的方法；如果不能滿足要求，增加風(fēng)扇，練習(xí)強(qiáng)制對流。在熱耗散的情況下，可以對翅片的位置、翅片厚度、肋間隙和底板的尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并在Icepak中反復(fù)計(jì)算和比較結(jié)果。Icepak本身提供了“參數(shù)化分析”，即利用其試驗(yàn)的功能，將某些參數(shù)設(shè)定為變量的散熱器，分配一系列值，Icepak將在不同厚度值的同時(shí)計(jì)算不同的模型結(jié)果。這樣可以節(jié)省時(shí)間，減少麻煩。重復(fù)優(yōu)化后的結(jié)果表明，在四個(gè)外表面的主體（如圖3所示）的散熱器，其具體尺寸為：2毫米，鰭厚2毫米，6.5毫米肋距，鰭高32毫米更合適。同時(shí)，為了增加肋骨的數(shù)量，減少肋骨之間的間距是不好的。

結(jié)論

電子設(shè)備的熱分析技術(shù)通過模擬設(shè)備內(nèi)部的溫度分布來提高設(shè)備的熱控制，從而保證了設(shè)備的使用性能和壽命，縮短了開發(fā)周期。本文從熱分析軟件的幾個(gè)環(huán)節(jié)入手，從熱分析軟件的幾個(gè)環(huán)節(jié)入手，對電子設(shè)備的熱分析技術(shù)進(jìn)行了深入的探索和應(yīng)用，為加強(qiáng)熱控制提供了幫助。

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