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基于Icepak软件的电子方舱热设计

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作者:李卫洲   中国电子科技集团公司第五十四研究所

注:本文来自于《无线电工程》

摘要:随着电子系统的发展,系统集成化捏度的不断加剧,由此引发的散热问题越来越多。针对系统级热设

计研究较少的情化,研究电子方舱的热设计问题有着重要意义。结合工程实践介绍了电子方舱系统的总体设计方

案,对方舱热源进行分析,提出了热问题,并给出了解决方案,运用Icepak软件对系统进朽建模仿真,仿真结果

和实际应用情况的对比分析,显示出设计阶段预分析的有效性。

关键词:系统级;电子方舱;热设计:ICEPAK软件 

Thermal Design of Electronic Shelter Using Icepak Software

Abstract :With the development of electronic systems and larger scale of system integration, heat elimination becomes more serious.Since system-level thermal design is less studied, the research on electronic shelter thermal design is of great significance to the overall design.According to practical engineering, the design scheme of electronic shelter is introduced, the hermal sources of shelter are ****yzed, and some problems about thermal elimination as well as their solutions are presented. The system is modeled and simulated using the Icepak thermal ****ysis software, the comparative ****ysis on simulation results and practical application proves the validity of pre-****ysis in design phase.

Key words:system-level; electronic shelter; thermal design; Icepak software 

0 引言  

随着电子技术的不断发展,电子设备的功能和复杂性与日俱增,集成度越来越髙,电子设备单位体积的功耗不断增大,导致电子设备的温度迅速上升,从而引起电子设备的故障越来越多。对于由种类繁多的电子设备所组成的系统级装备同样存在着解决散热困难的问题。目前,传热与流场分析方面已有很多成熟的仿真软件,由于研究对象的复杂程度不同,用这类软件分析解决元件级、板级、设备级的热设计问题比较多,解决系统级热控问题比较少,对电子设备的热设计问题进行较深入的研究,找出系统级设备热设计问题的关键点和技术方法,对总体设计意文重大。电子方舱是典型的系统级电子设备的载体,采用专业的电子设备热分析软件Icepak对方舱的进行建模、分析,可验证热设计方案的正确性和可行性,节约成本的同时大大提高效率。

1 总体设计方案

工程总体要求,项目为车载站电子方舱系统,满足机动性要求,驻车工作。该车载站包含:汽车底盘、电子方舱、4套设备(高频设备、低频设备、复接器等)、4套天线及伺服系统、供配电系统(配电单元、UPS、电池等)、供系统野外用电的发电机组及其他通信配套设备和附件。

根据整车设备数量、重量配置、维修性等方面的需求,方舱从前到后设置设备舱、附件舱和发电机舱。其中,设备舱安装4台设备机柜及沙发等附属设备;附件舱后部、发电机舱上面设吊柜存放车辆附件,并在和设备舱之间的隔壁上对应设备机柜处开设维修口,便于设备后部维修;发电机舱安装1台14.4 kVA发电机组。另外根据各舱室的实际情况设置进、排风口和百叶窗等换气装置、应急口、舱口、对外接口(信号口、电源口、转接口等),舱顶安装天线及波导系统。该电子方舱结构特征为;方舱由6块壁板组成,壁板内外蒙皮为1.2 mm防锈铅板,中间为阻燃型的聚胺醋泡沫芯材,密度为

,舱壁传热系数为   1.5w/m2.k;方舱外形尺寸:L5000 mm X  W2400 mmH1900 mm;

该电子方舱系统的散热及降温措施有;在设备舱中设里进排风口,提供舱内人员的新鲜空气需要量及舱内外的换热;在高频设备前面板开设进风网孔,在设备后面板对应位置设置排风扇,对功放、电源等高温部件进行强制风冷;发电机舱左右舱口设百叶窗,在舱体后壁设排风扇,用于排出发电机所产生的热气,发电机的排烟管经过转接,穿过后舱壁将高温烟气排到舱外,排烟管表面缠绕隔热材料,在发电机舱内壁贴装隔热材料;方舱前壁安装1台整体式空调,送风风道布置到设备舱和附件舱,但和发电机化隔开。

2 热源分析及热问题

2.1方舱中的传热类型

根据方舱的特点和传热学的基本理论,下面分别介绍一下方舱内部关于传热的3个方面。

2.1.1传导

方舱内部热传导包括元件与印制板、器件与安装结构件、设备与机柜之间的传热;设备内外部、方舱内外部温度差引起的热量传递;其他物体直接接触形成的热传递。

式中,

为导热系数,w/m.k,A为垂直于导热方向的截面面积,m2;
为温度梯度矢量,K/m; 为热流量,W;
为热流密度,W/m2。

2.1.2对流换热

方舱内部对流换热包括设备的强制风冷散热、方舱的内外部空气交换、空调的舱内外换热及其他由于空气流过固定表面且温度不同所产生的热量交换。

对流换热可根据牛顿冷却公式计算。

式中,h为表面传热系数或对流换热系数,

;A为对流换热面积,
为固体壁面温度与流体湿度之差的绝对值,
大于零,保证热流量
或热流密度q取得正值,K

2.1.3辐射换热

方舱内部的辐射换热包括设备之间由于温度不同引起的辐射换热,另外方舱舱壁受太阳辐射吸收热量而使舱壁温度相对于气温更高。

辐射换热量可采用斯蒂芬-玻尔兹曼定律的修正形式: 

式中,

为辐射黑度或发射率,指物体的辐射能力与同温度黑体的辐射能力之比,其值小于1,且与物体的种类、温度及表面状况等有关。

关于太阳福射,单位时间内地球大气层外缘单位表面积所能接受到的太阳能为:

式中,f为日-地距离的修正系数,一般取f= 0.97-1.03;据测定,某一温度下,单位时间内在日-地平均距离处,地球大气层外缘与太阳辐射射线相垂直的单位表面积所接受到的太阳能为

,此值记作Sc;
为太阳射线与地面法线间的夹角。

2.2热源分析

通过对该车载站的工作情况、使用条件、周围环境进行分析,其主要热源有以下3种;

① 安装在设备机拒上的系统电子设备耗散出很大的热量,恃别是高频设备,散热量集中;

② 大功率的发电机组在一个相对较小的空间内,发电机自身热风先排在发电机舱内,然后才能通过排风扇排往舱外,再加上排烟管表面较髙的温度,使得发电机舱舱内温度很髙;

③ 当电子方舱野外露天使用时,在太阳辐射下,方舱表面温度升高,虽然舱壁内有断热桥和隔热材料,但是长时间照射后还是会使化内温度升髙,恶化工作环境。

2.3 存在的热问题

工程经过设计后,电子方舱工作时有2个方面的热问题,下面分析一下故障现象及原因:

① 由于发电机舱是个相对封闭的环境,发电机在工作一段时间后,由于热量聚集越来越多,使得发电机本身温度过高,当发电机表面温度达到105℃时,发电机启动自动保护程序使发电机停止工作。原因可能是发电机舱的进排风量有限,不能及时的将发电机组工作时产生的热量及时带到舱外,以致发电机组自动热保护;

② 4个设备机柜顶部安装的高频设备由于内部功放和电源模块发热量大,热风经过排风扇排出,在高频设备后部和方舱隔壁之间形成热量聚集,温度的升高提高了高频馈线馈线损耗,根据相关资料显示温升对于馈线的损耗可以表示为:

Att.(atX℃) =Att.(at20℃) +(X - 20) x 0.002,其中X为工作温度。热气流反作用于髙频设备内部,使得高频设备内部的温度提高,影响高频组件和其他电子元件的正常工作。原因可能是高频设备散发的热量通过设备后部的风机排出,但是受到隔壁的阻挡,热量聚集,使得温度升高。

3 解决方案

在以上分析的基础上,要想降低舱内空间热阻,提高散热效果主要包括3个方面:①提高设备向外界的传热能力,可以利用强制风冷等措施;②改善舱体内部结构,提供一条设备向外传热的低热阻通路;③通过设置风机,增加舱内外对流效果。

针对容易出现热问题的两个部分,改进方案如下:在发电机舱底部加栅格进风口,同时把方舱后壁排风扇的数量从1个增加到4个,来加大发电机舱的进排风量,以保证发电机组产生的热气能及时排出舱外;为高频设备的每个风机在其和隔壁之间加单独风道,使髙频设备产生的热量及时排到附件舱,然后通过附件舱排风扇排出舱外,以免在机柜后部形成热量聚集。经过上述2个方面的改进后,方舱的设计方案示意图如下图所示:


4 系统建模及仿真结果分析 

系统方案热设计仿真使用Icepak热分析软件完成。仿真过程分为五步;建模、有限体积法分析(网格划分)、定义边界条件、计算、后处理。

4.1系统建模

由于分析的是整个方舱系统的热设计,对于其中安装的电子设备本身的温度控制不做考虑。以下为电子方舱中关于热设计的4个重要部分的简化建模方法。

4.1.1高频设备

由于高频设备总功耗为800 W,其输出功率为80 W,效率为10 %,所以我们近似认为每台高频设备的热耗散功率为800 - 80 = 720 W。建模时不考虑设备内部复杂的结构,只是在内部设置一个带散热器的热阻,设置其功耗为720 W。

4.1.2发电机组

发电机组本身是一个非常复杂的系统,要按实际情况建模非常复杂,其技术指标为:

外形:L1392 mm X W710 mm x H810 mm;

发动机功率:17.5 KW;

额定输出功率:14.4 kVA;

实测散热口温度:85℃

实测排烟口温度:400℃

设计热保护温度:105℃

根据计算结果,发电机组的总散热量约为17.5-14.4 = 4.54 KW,但是由于散热量不集中,且发电机组内部结构复杂,仿真中建模根据实测的排烟管温度、出风口温度等来确定模型中发热元件的功率。

4.1.3设备机柜的其他设备

由于设备机柜除高频设备外,其他设备功耗都不高,并且设备本身全部为自然散热,建模时计算各个机柜的其他设备功耗,并把其作为一个整体散热块,设定其总功耗。结果为:设备机柜1、2、3、4功耗分别为200 W、160 W、170 W、330 W。

4.1.4太阳辐射对方舱的影响

在实际使用环境中,方舱最多有3个面能受到太阳照射,热设计计算时取顶面、左侧面、后端面按太阳照射面计算,其余3个面为按环境温度,太阳照射面会产生比环境温度高的附加温升,取附加温升值为

= 15℃。舱壁的传热系数为K = 1.5W/(m2.℃)。根据式(1)计算各舱壁传热量。

顶壁:Qa = K X A1 X

=1.5X (5 X 2.4) X 15 = 270w;

左侧壁:0b = K X A2 X

 =1.5X (5 X 1.9) X 15 = 213.75 W;

后端面:Qc = K X A3 X

 =1.5X (2.4 X 1.9) X 15 = 102.6 W;

为这3个壁板分别设置散热量。

除了上述4个方面需要在软件中设中设置其参数外,方舱中其他零功率附件可忽略。

4.2 仿真结果分析

仿真条件:考虑所有设备开机并满负荷居行的最恶劣情况;不考虑电子方舱安装空调等降温设备对整个环境的影响,因为有时供电只能满足电子设备的供电需求或者温控系统出现故障,为保证在一般情况下系统还能正常工作,按照环境温度40℃的高温环境计算,如果气温在40℃以上,必须要温控设备保证环境温度;考虑除进、排风口外,所有舱口都关闭的情况。

根据建立好的模型在Icepak热仿真软件中划分网格,网格划分时要对高频设备、发电机组等关键区域加密,定义边界条件,设置环境温度为40℃,进行仿真计算。方舱方案改进前后热仿真结果如表1所示。

通过仿真结果可以得到,发动机部分的温度为85 ℃左右,保证了发电机组不会因为过热保护(保护温度105℃)导致自动停机;高频设备和间壁之间的温度为55℃ (改进前此处温度约80℃)左右,此区域的热量得到了有效疏导,降低了高频馈线的传输损耗;高频设备内部空间(除散热器本身)的温度为65 ℃以下(改进前内部温度髙达85℃,高频设备内部的元器件工作环境得到了一定改善,有利于提髙设备的可靠性。

实际工程中按照改进方案对车载站进行了改造,在系统使用过程中没有出现发电机组过热保护和高频设备过热的现象,系统运行可靠,这种设计方案也在后续的几个工程中得到了应用,并且证明安全、可靠。

综上所述,此方案的改进是成功的,不但保证了系统结构设计的可靠性和所选设备的通用性,而且使影响系统性能的两个温度薄弱点能满足设备工作环境温度要求,从而保证了整个系统使用的可靠性,并验证了热分析的正确性。

5 结束语

通过Icepak热仿真软件在该电子方舱热设计时的应用,方舱热设计的关键问题得到了量化分析,实践证明,改进方案的仿真结果正确,利用此类热仿真软件对系统级设备进行热设计可使设计效率得到很大提高。热设计是一个系统的工程,总体设计要求要客观,设备选型要合适,安装位置要合理,并从元件级、板级、设备级开始就要引起足够重视,这样才会有一个完美的系统热设计方案。 

参考文献

[1] 郁拭,五运钢,尚玉琴.热工基础及流体力学(第一版)[M].北京;中国电力出版社,2006.

[2] 白秀茹.典型的密封式电子设备结构热设计研究[J].电子机«工程,2002,18(4); 36 - 38.

[3] 王丽.大功率电子设备结构热设计研究[J].无线电工程.2009,39(1): 61 -64.

Icepak流体基础换热散热通用电子电力
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首次发布时间:2019-03-23
最近编辑:5年前
王永康
硕士 | 产品经理 热设计热仿真计算
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1条评论
宇智波熊猫
二营长,你的意大利面呢
4年前
和我的工作很切合,是广大电子设备结构工程师的福音
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