基于Ansys Icepak的密閉液冷機(jī)箱熱仿真分析

張敬瑩 賀勇

（電科院 北京市 100041）

隨著現(xiàn)代集成電路及以小型芯片為主的微電子機(jī)械系統(tǒng)在汽車(chē)、工業(yè)、信息、電子消費(fèi)等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。大功率、小型化、組件高度集中化的趨勢(shì)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中設(shè)備散熱能力已成為決定設(shè)備可靠性及其穩(wěn)定性的重要因素。電子產(chǎn)品散熱問(wèn)題目前已成為國(guó)內(nèi)外機(jī)械電子領(lǐng)域熱設(shè)計(jì)技術(shù)研究重點(diǎn)之一[1]。

在保證電子產(chǎn)品滿足機(jī)械應(yīng)力和外界各種復(fù)雜物理環(huán)境的前提下，還應(yīng)充分利用對(duì)流散熱、傳導(dǎo)散熱、輻射散熱等方式來(lái)保證機(jī)械電子產(chǎn)品的散熱，最大程度地把電子產(chǎn)品產(chǎn)生的熱散發(fā)出去。

當(dāng)代軍用電子裝備使用環(huán)境極度復(fù)雜、惡劣而且性能指標(biāo)要求的越來(lái)越高。這使得對(duì)電子裝備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大功率元器件分布也提出了更高要求。對(duì)軍用電子產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真分析已成為電子裝備研制過(guò)程中不能缺少的關(guān)鍵性技術(shù)，本文以一機(jī)箱類(lèi)電子產(chǎn)品為例，對(duì)其進(jìn)行熱仿真分析、最高溫度分布情況分析及速度矢量仿真，可制導(dǎo)機(jī)箱類(lèi)電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，并能盡量降低熱阻，使散熱速度加快，降低箱體內(nèi)部溫升，提高設(shè)備的可靠性等方面起到指導(dǎo)作用。

1 機(jī)箱的構(gòu)成

以某一機(jī)載通用處理機(jī)箱為例，機(jī)箱采用插板式結(jié)構(gòu)形式，機(jī)箱殼體及液冷管道采用鋁合金6063材料的板材由螺釘固聯(lián)。結(jié)構(gòu)示意圖參見(jiàn)圖1。

機(jī)箱散熱方式采用液冷散熱，PCB板在工作時(shí)芯片產(chǎn)生熱量，熱量通過(guò)PCB板封裝的殼體傳導(dǎo)到導(dǎo)熱冷板，冷卻液流經(jīng)上下冷板將熱量傳導(dǎo)到機(jī)箱殼體外。

2 機(jī)箱熱設(shè)計(jì)分析計(jì)算

2.1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)箱使用的環(huán)境溫度為71℃；模塊上元器件最高允許工作溫度：90℃；機(jī)箱采用液冷的散熱方式；液冷液溫度：30℃；液冷液流速：1.89m/s；機(jī)箱材料：Aluminum 6063-T5。每個(gè)通用處理機(jī)箱安裝16個(gè)1in寬6U高的VITA模塊，每個(gè)模塊發(fā)熱量150W，機(jī)箱總發(fā)熱量為2.4KW。

2.2 機(jī)箱冷卻方式設(shè)計(jì)

對(duì)于本文中的模塊化機(jī)箱總發(fā)熱量為2.4KW，發(fā)熱部件為機(jī)箱內(nèi)板卡上的電子元器件，每個(gè)模塊的功耗為150W，體積小，熱耗大。

單個(gè)模塊熱穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度為：

式中，A為模塊的總散熱面積，其單位為cm2，經(jīng)計(jì)算可得A=296.1cm2。熱穩(wěn)態(tài)下機(jī)箱散熱表面的熱流密度可計(jì)算如下：

考慮到機(jī)箱內(nèi)裝有16個(gè)模塊，機(jī)箱使用的環(huán)境溫度為71℃；模塊上元器件最高允許工作溫度為90℃；其機(jī)箱內(nèi)部溫升應(yīng)控制在21℃以內(nèi)，若采用空氣冷卻散熱效率會(huì)大大減低，故采用液冷散熱，增加散熱效率。

3 機(jī)箱的液冷散熱的仿真計(jì)算

3.1 熱模型的建立

圖1：模塊化機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：機(jī)箱簡(jiǎn)化模型

圖3：模型的傳輸

完整的Catia模型很復(fù)雜，有各種倒角、螺栓等細(xì)節(jié)，并且完整的機(jī)箱模型很大，出于對(duì)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的考慮，選擇對(duì)一個(gè)機(jī)箱進(jìn)行熱分析。因?yàn)橥暾Ｐ椭腥齻€(gè)機(jī)箱的邊界條件都相同，所以只針對(duì)一個(gè)模型進(jìn)行分析也是可以得到其溫度分布規(guī)律。

模型的簡(jiǎn)化在Workbench平臺(tái)下的DM模塊中進(jìn)行，可以通過(guò)DM中對(duì)電子設(shè)備專(zhuān)用的簡(jiǎn)化工具Simplify來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

按照此種轉(zhuǎn)化方法將模塊化機(jī)箱簡(jiǎn)化后得到熱仿真分析模型，如圖2所示。

3.2 設(shè)置仿真參數(shù)

將簡(jiǎn)化后的模型通過(guò)Ansys Workbench導(dǎo)入到Ansys Icepak軟件中，連接方式如圖3所示。

在Icepak中進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)置，材料分為結(jié)構(gòu)材料、流體材料，導(dǎo)熱硅脂以及PCB材料，在DM中已經(jīng)將模塊中的印刷電路板識(shí)別為Icepak特色的PCB板，可以對(duì)其進(jìn)行PCB板功耗，材料的設(shè)置，能夠比較精確的模擬PCB實(shí)際散熱情況。流體材料為水，流道的進(jìn)口溫度為30℃；液冷液流速：1.89m/s；環(huán)境溫度：71℃；機(jī)箱的總功耗則為2.4KW，機(jī)箱插槽與導(dǎo)軌之間的接觸熱阻可設(shè)置為0.6℃/W。在基本設(shè)置中設(shè)置為求解流體的流速、壓力和溫度值。因是強(qiáng)迫液冷，輻射散熱可忽略不計(jì)，所以關(guān)閉輻射計(jì)算。液體雷諾數(shù)和迪利客來(lái)數(shù)為分別為5049.57和3577.65，所以為湍流模式。

設(shè)置迭代步數(shù)為200步，以便于讓其充分收斂，然后對(duì)模型就行熱仿真求解。模型的速度曲線、能量曲線、連續(xù)性曲線均以收斂。

3.3 熱仿真分析計(jì)算結(jié)果

在環(huán)境溫度為71℃時(shí)，可根據(jù)初始條件求解得到機(jī)箱達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)情況下，機(jī)箱的最高溫度為68℃，產(chǎn)生最高溫度的位置在PCB板的發(fā)熱模塊附近，模塊上熱分布情況如圖4所示。

提取分析結(jié)果，流道中液冷液溫度分布參見(jiàn)圖5，最高溫度11度。

圖4：PCB板上熱分布情況

圖5：流道內(nèi)液冷液溫度分布

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)模塊化機(jī)箱內(nèi)部發(fā)熱模塊的功率進(jìn)行熱仿真分析，可以確定機(jī)箱采用何種散熱方式、同時(shí)通過(guò)計(jì)算強(qiáng)迫液冷散熱的條件下機(jī)箱箱體內(nèi)的熱流密度，并運(yùn)用Ansys Icepak熱仿真軟件對(duì)模塊化機(jī)箱進(jìn)行熱仿真分析，并根據(jù)計(jì)算得到的結(jié)果可知模塊化機(jī)箱在達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)的溫度分布和各發(fā)熱模塊表面的最高溫度值。經(jīng)過(guò)理論分析和仿真分析，可得到結(jié)論如下：

在強(qiáng)迫液冷散熱條件下，環(huán)境溫度為68℃時(shí)，密閉機(jī)箱的熱量主要是由發(fā)熱PCB板傳導(dǎo)到散熱板，再由散熱板通過(guò)導(dǎo)熱硅脂將熱量傳遞給機(jī)箱的上下冷板，最后由強(qiáng)迫液冷的方式將熱量帶出機(jī)箱。模塊上最高溫度為68℃，符合模塊上要求的最高工作溫度，滿足使用要求。通過(guò)對(duì)熱仿真結(jié)果分析提出了針對(duì)熱設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，使機(jī)箱產(chǎn)品達(dá)到了布局合理，具有良好的對(duì)流散熱性能。將機(jī)箱熱分析技術(shù)應(yīng)用到電子裝備的研制中，將解決電子裝備熱功耗過(guò)大，縮短研制周期，提高研制精度。并且，可以充分利用平臺(tái)的有限資源，提高裝備的性能和可靠性。