论文部分内容阅读
【摘 要】目前，電子类产品中使用较多的散热方式主要有自然风冷、强迫风冷、液冷，本文主要研究的某功分器工作温度为55℃，其内部主要发热源为电阻，其等效发热功率为10W，一般情况下，100℃内电阻都能够正常工作，为保证功分器工作的可靠性，现利用ICEPAK软件进行仿真分析。
【关键词】热分析;icepak
1、引言
在天线舱内，散热对系统正常工作起到十分重要的作用，作为天馈分系统中的功分器，其发热要求也需要在允许范围之内。功分器内安装有隔离的电阻，由于输入功率很大，电阻产生一定的热量，如果热量过大，超过了电阻许用值，电阻会烧毁，功分器失效。所以对功分器进行热仿真很有必要。
目前，电子类产品中使用较多的散热方式主要有以下三种：
1）自然风冷，常用于产品热耗功率较小的场合;
2）强迫风冷，常用于产品热耗功率较大的场合，其散热效率比自然风冷高很多，但增加风道会增大产品的体积，同事带来风扇 ;
3）液冷，其散热效率比风冷高很多，但冷却系统较为复杂，需要在产品内部增加流道，成本较高。
本论文研究的功分器的散热方式为增加散热片，其散发的热量依靠舱内强迫风冷排出。所以，只需要研究功分器电阻及其周边结构件的热量即可。
2、热分析基础理论
热量传递的基本规律是热量从高温区域流向低温区域传递，其基本的计算公式为：
式中，为热流量，为换热系数;换热面积;为换热面积;为冷热流体之间的温差。
热量传递包含三种基本方式：导热、对流和辐射换热，一般电子热设计工程中，会组合采用两种或三种方式。密封腔体内的器件及模组，需要考虑器件间、器件与壳体间的辐射换热及相应的自然对流，因此涉及到的散热方式包含导热、对流、辐射换热。
目前，电子热设计中常用的冷却方法包括：
（1）自然冷却（包含导热、自然对流和辐射换热）
对电子设备来说，自然冷却是一种比较可靠地散热方式，其无噪声、经济可靠，是电子产品散热方式的第一选择，主要通过合理的结构设计，将设备内部发热器件的热量通过最低的热阻路径传至设备的外部环境中，保证设备在合理的温度范围内正常工作。
自然冷却的方式适用于功率密度较低的电子设备。
自认对流换热的准则方程为：
式中，为努塞尔数，其与对流寒热系数的关系为;Ra为瑞利数，;Gr为格拉晓夫数，;Pr为流体的普朗特数;D为固体的特征尺寸;为流体的导热系数;为流体的体积膨胀系数;g为重力加速度;为固体热表面与流体的温差;为流体的动力黏度。
（2）强迫冷却（包含强迫风冷、强迫液冷散热等）
强迫冷却在电子设备中用来进行散热设计，其主要是通过风机或者泵驱动相应的流体，通过外部原因产生的压力差作用，使得流体进行流动，冷流体与电子设备内的器件进行热量交换，从而对电子设备进行冷却。
（3）TEC热电制冷
TEC热电制冷，又称半导体制冷，是建立在帕尔贴等电效应基础上的冷却方法，当一块N型半导体和一块P型半导体连接成电偶并在闭合回路中通直流电流时，在其两端的节点处将分别产生吸热和放热现象，其主要适用于微波混频器、激光器等电子器件。
TEC制冷的优点是无须外界机械动力，无噪声、无振动;可将发热器件的工作温度降低至比环境温度还低;可通过改变电流大小调整制冷量和冷却速度，结构紧凑、体积小、质量轻。
TEC制冷的缺点是为了达到很好的制冷目的，TEC本身需要很大的电流，热耗较大。
在ANSYS Icepak中，可建立TEC制冷的模型，包含TEC的冷面、热面及不同电流TEC的热耗，TEC的极对数，TEC半导体的高度、间隙及几何因子等，可方便快捷对TEC制冷进行散热模拟。
（4）热管散热。
热管散热是一种高效的传热装置，目前被广泛应用在电子设备的强迫风冷或自然冷却中，其传热能力高，传热能力比其他导热材料高几十倍，均温性好，可根据散热的结构需求设计热管外形，无须动力源，可有效降低热源至热沉的传热热阻。
热管的工作原理为：高温器件将蒸发端加热，热管内的工质由液体蒸发为气态，吸收潜热，气态工质在蒸发端和冷凝端之间所形成的压差作用下流向冷凝端，由于气态工质在冷凝端冷凝成液体，释放气化所吸收的潜热，释放的潜热被外界的冷空气带走。冷凝后的液体，在吸液芯和液体产生的毛细管作用下，重新流回蒸发端，工质开始新的循环。
热管和VC均温板散热器的技术优势包括：a）传热效率传统的型材散热器高;b）散热器基本温度低，使元器件的热可靠性更高;c）风扇尺寸、风扇数量的减少，可以有效降低成本;d）风扇可以以较低的运转速度进行散热，使风扇的可靠性提高;e）对冷却风量的需求减小可以大大降低系统的噪声;f）散热器较轻可以减小振动造成的损坏;g）元器件的布局具有更大的灵活性。
ANASY Icepak热仿真求解流程为：开始→根据冷却方式，判断模型采用的散热方式（自然、强迫、混合冷却）→在ANSYS Icepak软件中建立散热模型（冷却方式的热路），赋予器件的材料属性→输入各种边界条件：进口风量 风扇的P-Q线、WALL的热边界、对称、周期性边界条件等→输入各器件热耗、环境温度、流态、辐射设置、计算离散格式、迭代步骤、监控点、初始值（用于SIMPLE迭代计算）→根据建立的几何模型，使用四面体网格、六面体网格、多级网格、局部加密网格、划分出高质量的贴体网格（需要检查网格质量和保新性）→进行计算求解、准确判断模型收敛→后处理：器件各种变量云图、切面云图、速度矢量图、等值图、粒子迹线、各种动画、报告等→仿真结果→用户根据计算结果，可进行各种参数的优化，得到最优化的设计方案，热设计工作结束。 3、问题描述
工作中功分器某一输入端承受了40W瞬时功率，理论上不考虑微带板损耗的情况下，等效电路计算得到电阻承受了10W的瞬时功率。由于功分器体积小，工作温度为55℃，为保证其可靠性，必须确保电阻在其有效工作温度100℃之内。
4、建立仿真热模型
功分器三维模型如下图：
为了更好的散热，在功分器底部设计了散热翅片，增加了壳体与空气的接触面积，当温度过高时，还可以增加风冷进行强迫散热。
为减少计算量，在不影响计算精度的情况下，适当简化模型，隐去输入端口和接头，直接将功率加载在电阻上，即将电阻等效成一个10W的热源。
ICEPAK有限元热分析主要分为前处理、求解和后处理3步，直接将UG中建模导入WORKBENCH的DM中，通过TOOL-electronics将模型转换成ICEPAK可以识别的模型类型，在simplification type中选择level3，facet quality选择very fine，转化后ICEPAK可以直接識别模型。定义壳体和电阻的材料均为铝，电阻的功率为10W，在自然对流的情况下，将cabinet按照相应比例扩大，六个面均设置为open。
5、设定工况并划分网络
仿真热模型建立后，设定工况边界条件，迭代部数设为100，计算雷诺数，判定空气流动状态为湍流。设置求解变量为FLOW和temperature，打开重力及速度方向，设定环境温度为55℃。选择模型树下所有器件，创建ASSEMBLY，选择mesh separately，输入各个面的Slack数值为5，选择Max element size下的X、Y、Z，分别输入8，8，10，选择set uniform mesh params和Allow multi-level meshing，并对不同的模型输入不同的Max levels，最后进行网格划分，整个模型网格数为66233，网格节点数为64641。
6、热仿真结果
仿真计算结束后，利用后处理工具得到功分器内部温度云图，如下：
从结果可以看出，电阻上最高温度为66℃，壳体最高温度为62℃，满足电阻允许的最高温度100℃。
7、结束语
由ICEPAK仿真结果可知，加散热片后功分器增大了散热面积，有效的控制了发热器件的温度，使温度在100℃以内，满足功分器的使用要求。
参考文献：
[1]王永康，ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].北京：国防工业出版社，2015.
[2]李忠，潘军，韩磊，张攀，占昌恒，基于icepak的火炮驱动器散热分析[J].电子机械工程，2019.4
作者简介：
王锦程，1989.9，女，汉族，湖北武汉，硕士研究生，工程师，研究方向：天馈分系统结构设计。
（作者单位：武汉滨湖电子有限责任公司）
【关键词】热分析;icepak
1、引言
在天线舱内，散热对系统正常工作起到十分重要的作用，作为天馈分系统中的功分器，其发热要求也需要在允许范围之内。功分器内安装有隔离的电阻，由于输入功率很大，电阻产生一定的热量，如果热量过大，超过了电阻许用值，电阻会烧毁，功分器失效。所以对功分器进行热仿真很有必要。
目前，电子类产品中使用较多的散热方式主要有以下三种：
1）自然风冷，常用于产品热耗功率较小的场合;
2）强迫风冷，常用于产品热耗功率较大的场合，其散热效率比自然风冷高很多，但增加风道会增大产品的体积，同事带来风扇 ;
3）液冷，其散热效率比风冷高很多，但冷却系统较为复杂，需要在产品内部增加流道，成本较高。
本论文研究的功分器的散热方式为增加散热片，其散发的热量依靠舱内强迫风冷排出。所以，只需要研究功分器电阻及其周边结构件的热量即可。
2、热分析基础理论
热量传递的基本规律是热量从高温区域流向低温区域传递，其基本的计算公式为：
式中，为热流量，为换热系数;换热面积;为换热面积;为冷热流体之间的温差。
热量传递包含三种基本方式：导热、对流和辐射换热，一般电子热设计工程中，会组合采用两种或三种方式。密封腔体内的器件及模组，需要考虑器件间、器件与壳体间的辐射换热及相应的自然对流，因此涉及到的散热方式包含导热、对流、辐射换热。
目前，电子热设计中常用的冷却方法包括：
（1）自然冷却（包含导热、自然对流和辐射换热）
对电子设备来说，自然冷却是一种比较可靠地散热方式，其无噪声、经济可靠，是电子产品散热方式的第一选择，主要通过合理的结构设计，将设备内部发热器件的热量通过最低的热阻路径传至设备的外部环境中，保证设备在合理的温度范围内正常工作。
自然冷却的方式适用于功率密度较低的电子设备。
自认对流换热的准则方程为：
式中，为努塞尔数，其与对流寒热系数的关系为;Ra为瑞利数，;Gr为格拉晓夫数，;Pr为流体的普朗特数;D为固体的特征尺寸;为流体的导热系数;为流体的体积膨胀系数;g为重力加速度;为固体热表面与流体的温差;为流体的动力黏度。
（2）强迫冷却（包含强迫风冷、强迫液冷散热等）
强迫冷却在电子设备中用来进行散热设计，其主要是通过风机或者泵驱动相应的流体，通过外部原因产生的压力差作用，使得流体进行流动，冷流体与电子设备内的器件进行热量交换，从而对电子设备进行冷却。
（3）TEC热电制冷
TEC热电制冷，又称半导体制冷，是建立在帕尔贴等电效应基础上的冷却方法，当一块N型半导体和一块P型半导体连接成电偶并在闭合回路中通直流电流时，在其两端的节点处将分别产生吸热和放热现象，其主要适用于微波混频器、激光器等电子器件。
TEC制冷的优点是无须外界机械动力，无噪声、无振动;可将发热器件的工作温度降低至比环境温度还低;可通过改变电流大小调整制冷量和冷却速度，结构紧凑、体积小、质量轻。
TEC制冷的缺点是为了达到很好的制冷目的，TEC本身需要很大的电流，热耗较大。
在ANSYS Icepak中，可建立TEC制冷的模型，包含TEC的冷面、热面及不同电流TEC的热耗，TEC的极对数，TEC半导体的高度、间隙及几何因子等，可方便快捷对TEC制冷进行散热模拟。
（4）热管散热。
热管散热是一种高效的传热装置，目前被广泛应用在电子设备的强迫风冷或自然冷却中，其传热能力高，传热能力比其他导热材料高几十倍，均温性好，可根据散热的结构需求设计热管外形，无须动力源，可有效降低热源至热沉的传热热阻。
热管的工作原理为：高温器件将蒸发端加热，热管内的工质由液体蒸发为气态，吸收潜热，气态工质在蒸发端和冷凝端之间所形成的压差作用下流向冷凝端，由于气态工质在冷凝端冷凝成液体，释放气化所吸收的潜热，释放的潜热被外界的冷空气带走。冷凝后的液体，在吸液芯和液体产生的毛细管作用下，重新流回蒸发端，工质开始新的循环。
热管和VC均温板散热器的技术优势包括：a）传热效率传统的型材散热器高;b）散热器基本温度低，使元器件的热可靠性更高;c）风扇尺寸、风扇数量的减少，可以有效降低成本;d）风扇可以以较低的运转速度进行散热，使风扇的可靠性提高;e）对冷却风量的需求减小可以大大降低系统的噪声;f）散热器较轻可以减小振动造成的损坏;g）元器件的布局具有更大的灵活性。
ANASY Icepak热仿真求解流程为：开始→根据冷却方式，判断模型采用的散热方式（自然、强迫、混合冷却）→在ANSYS Icepak软件中建立散热模型（冷却方式的热路），赋予器件的材料属性→输入各种边界条件：进口风量 风扇的P-Q线、WALL的热边界、对称、周期性边界条件等→输入各器件热耗、环境温度、流态、辐射设置、计算离散格式、迭代步骤、监控点、初始值（用于SIMPLE迭代计算）→根据建立的几何模型，使用四面体网格、六面体网格、多级网格、局部加密网格、划分出高质量的贴体网格（需要检查网格质量和保新性）→进行计算求解、准确判断模型收敛→后处理：器件各种变量云图、切面云图、速度矢量图、等值图、粒子迹线、各种动画、报告等→仿真结果→用户根据计算结果，可进行各种参数的优化，得到最优化的设计方案，热设计工作结束。 3、问题描述
工作中功分器某一输入端承受了40W瞬时功率，理论上不考虑微带板损耗的情况下，等效电路计算得到电阻承受了10W的瞬时功率。由于功分器体积小，工作温度为55℃，为保证其可靠性，必须确保电阻在其有效工作温度100℃之内。
4、建立仿真热模型
功分器三维模型如下图：
为了更好的散热，在功分器底部设计了散热翅片，增加了壳体与空气的接触面积，当温度过高时，还可以增加风冷进行强迫散热。
为减少计算量，在不影响计算精度的情况下，适当简化模型，隐去输入端口和接头，直接将功率加载在电阻上，即将电阻等效成一个10W的热源。
ICEPAK有限元热分析主要分为前处理、求解和后处理3步，直接将UG中建模导入WORKBENCH的DM中，通过TOOL-electronics将模型转换成ICEPAK可以识别的模型类型，在simplification type中选择level3，facet quality选择very fine，转化后ICEPAK可以直接識别模型。定义壳体和电阻的材料均为铝，电阻的功率为10W，在自然对流的情况下，将cabinet按照相应比例扩大，六个面均设置为open。
5、设定工况并划分网络
仿真热模型建立后，设定工况边界条件，迭代部数设为100，计算雷诺数，判定空气流动状态为湍流。设置求解变量为FLOW和temperature，打开重力及速度方向，设定环境温度为55℃。选择模型树下所有器件，创建ASSEMBLY，选择mesh separately，输入各个面的Slack数值为5，选择Max element size下的X、Y、Z，分别输入8，8，10，选择set uniform mesh params和Allow multi-level meshing，并对不同的模型输入不同的Max levels，最后进行网格划分，整个模型网格数为66233，网格节点数为64641。
6、热仿真结果
仿真计算结束后，利用后处理工具得到功分器内部温度云图，如下：
从结果可以看出，电阻上最高温度为66℃，壳体最高温度为62℃，满足电阻允许的最高温度100℃。
7、结束语
由ICEPAK仿真结果可知，加散热片后功分器增大了散热面积，有效的控制了发热器件的温度，使温度在100℃以内，满足功分器的使用要求。
参考文献：
[1]王永康，ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].北京：国防工业出版社，2015.
[2]李忠，潘军，韩磊，张攀，占昌恒，基于icepak的火炮驱动器散热分析[J].电子机械工程，2019.4
作者简介：
王锦程，1989.9，女，汉族，湖北武汉，硕士研究生，工程师，研究方向：天馈分系统结构设计。
（作者单位：武汉滨湖电子有限责任公司）