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1、某密闭电子设备的热设计3李增辰1,褚 俐2(1.中国电子科技集团公司第54研究所,河北 石家庄050081;2.石家庄职业技术学院,河北 石家庄050081)摘 要:介绍了电子设备热设计的基本内容,阐述了应用热分析软件的设计流程。采用Icepak软件对某密闭电子设备的原始设计进行了热仿真,从结果中找出了关键发热器件和影响散热的薄弱环节。通过调整关键发热器件的散热方式和机箱的整体散热结构,对密闭电子设备的结构进行了优化,使其满足了热设计要求。关键词:密闭机箱;热设计;仿真;优化设计中图分类号:TK124 文献标识码:A 文章编号:1008-5300(2009)04-0007-03Ther mal
2、Design of Some Sealed Electronic CabinetL IZeng2chen1,CHU Li2(1.The54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang050081,China)(2.Shijiazhuang Vocational Technology Institute,Shijiazhuang050081,China)Abstract:Based on the basic knowledge of thermal design of the electronic equipment,this paper explains
3、 theprocess of using heat analysis software.Through using the soft ware of Icepak,a ther mal simulation of the origi2nal design of the sealed electronic cabinet ismade,in which the keyweak parts of heating on devices and thecauseswhich affect the cooling are found.Besides,the coolingmodesof the key
4、partsof heating and the wholeheat dissipation structure are adjusted,so that the structure of the sealed electronic cabinet is optimized,andthe demand to thermal design be met.Key words:sealed electronic cabinet;thermal design;si mulation;optimization design0 引 言电子设备热设计是指对电子设备的发热元器件以及整机设备或系统的温度进行控制所
5、采取的措施,其目的在于保证电子设备或系统正常、稳定、可靠工作。电子设备在工作时,会耗散大量热量,为保证电子设备在相应的工作环境下长期、稳定工作,热设计是必不可少的重要环节。文中以某密闭电子设备为例,应用Icepak软件来进行热设计。Icepak软件是以有限体积法为求解器的热设计仿真软件,具有强大的后处理功能,它可以模拟真实的温度场、压力场和流速场,在后处理中可以看到各种参数结果,能以直观的形式显示出温度分布,气流流向及速度分布等。1 热分析软件设计流程热分析软件的设计流程如下:1)根据总体的要求,确定设备的环境条件和最高允许温度;2)弄清楚设备的技术条件,主要是设备的发热功率,设备的组成以及设
6、备的使用要求等;3)根据总体要求,先设计一个认为可行的方案。在Icepak软件中设定环境条件,如环境温度,重力因素,分析的精度等。在该文件中创建设备的具体模型,比如:风机、发热单元、出风口等,各个单元提供详细的发热功率及几何尺寸;4)模型建立完成后,划分并生成网格。网格的划分一般由软件自动进行,可根据需要设定网格的参数,一般默认可满足要求,如果网格的划分不理想,可以自72009年第25卷第4期2009.Vol.25 No.4电 子 机 械 工 程Electro-M echan ical Engineering3收稿日期:2009-03-02己设定关键部件的网格参数;5)软件解算完成后,后置处理
7、模块可以输出可视化的速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图等;6)根据可视化的后处理图形,可以方便的看到设备温度分布和气流运行情况,找出影响设备散热的薄弱环节,提出改进方案,重新进行计算,直到结果满足设计要求。热设计的过程是一个反复迭代的过程,一般根据经验先建立原始仿真模型,根据计算结果,设计出改进模型,重新进行仿真,直到模型能达到设计要求为止。2 软件设计仿真2.1 问题描述根据项目的要求,密闭电子设备所处环境比较恶劣,只能考虑自然散热。整理出计算模型如下:1)工作环境温度55,设备最高允许温度85;2)密闭电子设备是一个封闭铝制箱体,表面散热齿为横向;3)箱体外形尺寸
8、为430 mm275 mm240 mm,内部平行插装10块PCB板;4)箱体内以发热器件均分布在PCB板上,除CPU外,其余器件总发热功率8 W,分散布置;5)最大发热芯片CPU1热耗散功率为5 W,CPU2热耗散功率为1.25 W。2.2 建模在Icepak软件中建立密闭机箱的初始模型,对两个CPU所在PCB板进行芯片级建模,其余PCB板进行板级建模,提取项目中主要发热器件的热参数,尽量让模型与实际相符。在设计中,重点关注各种传导、对流和辐射方式的效果。2.3 设计方案首先利用Icepak软件对原型密闭箱体进行热仿真,建立密闭箱体外形及内部模型图如图1所示。图1 密闭箱体外形及内部模型图设置
9、计算环境时,综合考虑传导、对流和辐射三种散热方式,模拟出真实的结果。经过计算,密封箱内部的温度分布云图如图2所示。由仿真结果可以看出,在环境温度为55时,箱体内气体的温度为7080,5 W CPU温度最高达到112,箱体外两侧自然对流受到横向散热齿的阻碍。图2 原型密闭箱体内部的温度分布云图2.4 设计优化在原设计的基础上,设计几种改进方案分别进行仿真。由于空气的热传导率比较低,两个CPU的发热功率又比较大,因此,要采取措施增加CPU的热传导。改进方案如下:1)改进方案一:5 W CPU上加1 mm散热铜片与机箱搭接;2)改进方案二:5 W CPU上加1 mm散热铜片与机箱搭接,顶部加散热齿;
10、3)改进方案三:5W和1.25W CPU上均加1 mm散热铜片与机箱搭接;4)改进方案四:5W和1.25W CPU上均加2 mm散热铜片与机箱搭接;5)改进方案五:5W CPU加齿型散热铜片,1.25WCPU上加2 mm散热铜片与机箱搭接;6)改进方案六:5 W CPU上加4 mm散热铜片,1.25 W CPU上加2 mm散热铜片,两个散热铜片均与机箱箱体搭接;7)改进方案七:5 W CPU上加4 mm散热铜片,1.25 W CPU上加2 mm散热铜片,两个散热铜片均与机箱箱体搭接,机箱两侧加纵向散热齿。在本项目中,通过原始模型的仿真结果可以看出,辐射散热所占的比例较小,由于辐射计算花费的时间
11、较长,本次分析仅改进方案六、改进方案七考虑辐射散热。表1是八个方案热仿真结果比较,由于CPU的发热功率最大,温度也最高,故仅列出CPU的温度比较。改进方案一的温度分布云图如图3所示,在温度最高的5 W CPU上加导热铜片,温度可下降20多度,达到93.7,1.2 W CPU未加导热铜片,温度达到了98.6。8电 子 机 械 工 程第25卷表1 不同方案中CPU仿真温度一览表方案不考虑辐射散热()考虑辐射散热()5 W CPU 1.2 W CPU 5 W CPU 1.2 W CPU结果评价原形112.8112102.2102方案一(1 mmCu)93.798.685+23 g方案二(+760 g
12、)9397.2585增重多方案三(1+1)90.787.885+84 g方案四(2+2)8782.885+168 g方案五(单片8 g)87.482.885工艺复杂方案六(4+2)84.782.783.981.9+226 g方案七(纵齿)78.876.678.476.4+226 g图3 改进方案一温度分布云图 改进方案二的温度分布云图如图4所示,加入顶部散热齿后,5W CPU上温度并未显著下降,表明自然对流对5 W CPU的散热作用明显小于导热作用,加入顶部散热齿使箱体质量增加0.76 kg。图4 改进方案二温度分布云图改进方案三的速度矢量图如图5所示,两个CPU温度均有明显下降,矢量图中自然
13、对流相比前两个方案没用有明显改善,增加的铜片厚度为1 mm,4片共为84 g。图5 改进方案三速度矢量图改进方案四的温度分布云图如图6所示,温度场比方案三有较大改善,5W CPU的温度由90.7 降为87,1.2W CPU的温度由87.8 降为82.8,自然对流未受影响,增加的散热铜片厚度为2 mm,4片共168 g。图6 改进方案四温度分布云图改进方案五的仿真表明,散热效果与方案四基本相同,原因是增强的自然对流散热效果与热传导效果基本一致。改 进方案六的仿真表明,5 W CPU温度降为84.7,1.2W CPU基本无变化,整个设备增加的质量为226 g。改进方案七模型图和温度分布云图如图7所
14、示,箱体两侧自然对流明显加强,更多的冷空气能够进入散热齿槽,5 W CPU温度比方案六下降5.9,箱体重量基本无变化。图7 改进方案七模型图和温度分布云图2.5 仿真结论通过Icepak软件对箱体原始模型和七种改进方案的分析,得出如下结论:1)在5 W及1.2 W CPU上加入导热铜板可大幅度降低CPU温度;(下转第53页)9第4期李增辰:某密闭电子设备的热设计仿真方法对于分析轴承的动态性能、强度以及载荷分布提供了很好的手段与方法。仿真结果可应用于轴承产品设计、制造、故障诊断等各个领域,为现代化轴承的研究与生产提供先进的技术支持,同时,对工程实践也具有很强的理论价值。参考文献:1 黄乾贵,邓四
15、二,腾弘飞.滚动轴承系统仿真技术的现状及发展J.轴承,2002(4):34-372 平丽浩,王长武,李良军.四点接触球轴承的接触问题研究J.南京理工大学学报,2007(8):458-4613 李 震,桂长林,等.轴-轴承系统仿真方法研究 J.中国机械工程,2004(8):1365-13684 陈家庆,周 海.滚动轴承载荷分布问题的理论研究进展J.北京石油化工学院学报,2000,8(1):47-525 汪久根,王庆九,章维明.滚动轴承动力学的研究J.轴承,2007(3):40-456 洪嘉振.计算多体系统动力学M.北京:高等教育出版社,19997Stribeck.BallBearings for
16、VariousLoodsJ.AS ME Trans2actions,1997(29):420-4638 机械设计手册 联合编写组.机械设计手册M.北京:化学工业出版社,1987作者简介:段勇军(1980-),男,工程师,主要从事伺服结构设计,CAD/CAE等工作。程 丹(1983-),女,工程师,主要从事雷达结构总体,CAD/CAE等工作。(上接第9页)2)从方案4和方案5的比较可以看出,散热齿对CPU的散热效果和2 mm的散热铜片的效果相同,但结构复杂;3)箱体内导热为传热的主要因素,空气流动引起的自然对流换热为次要因素;4)箱体两侧自然对流为传热主要因素,顶部自然对流为传热次要因素;5)原
17、型模拟考虑辐射效果明显,改进方案考虑辐射效果不明显,可以得出箱体内外的温差T 50时,辐射散热效果明显,箱体内外的温差T 30 时,辐射散热效果不明显,T=Tmax-Tambient。3 结 论通过对不同方案仿真结果的比较,最终选择方案七为最终设计方案。经过后续正式生产阶段的检测结果表明,设备运行与当初的仿真结果比较吻合,满足了设计要求。Icepak软件的应用,大大提高了设计成功率,减少了设计反复,更重要的是缩短了研制周期,提高了工作效率,已经成为工作中不可缺少的设计工具。上述密封电子设备热设计方案的调整及优化过程,完整地展现了利用I CEPAK软件进行电子设备热设计的过程,为其他电子设备的热设计提供了参考。参考文献:1 杨世铭,陶文栓.传热学M.北京:高等教育出版社,19982 余建祖.电子设备热设计及分析技术M.北京:高等教育出版社,20023 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(1):14-164 方志强,付桂翠,高泽溪.电子设备热分析软件应用研究J.北京航空航天大学学报,2003,29(8):737-740作者简介:李增辰(1976-),男,工程师。主要研究方向:电子设备结构及热设计。35第4期段勇军,等:基于刚柔接触的滚动球轴承系统仿真研究