张斌 田晓旸 宋国莲

摘  要：文章研究了一种强迫风冷电子机箱的散热设计方案及热性能仿真。将采用风扇的散热结构方案转化为基于Icepak的有限元热分析模型，仿真计算强迫对流模式的机箱结构达到热平衡时的温度场和流体场。给出机箱内部各发热电气元件的工作环境温度，作为判断电子产品热性能优劣的条件。并且根据电子机箱热分析结果判断原散热方案是否合理，为机箱散热机构二次优化设计提供参考。

关键词：电子产品;强迫风冷;散热仿真分析

中图分类号：TN02         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0081-03

Abstract： The heat dissipation design scheme and thermal performance simulation of a forced air-cooled electronic chassis are studied in this paper. We transformed the heat dissipation structure scheme of the fan into an Icepak-based finite element thermal analysis model， and then simulated the temperature field and fluid field when the chassis structure of the forced convection mode reaches thermal equilibrium. The working environment temperature of the heating electrical components in the chassis is given as the condition to judge the thermal performance of electronic products. According to the thermal analysis results of the electronic chassis to judge whether the original heat dissipation scheme is reasonable or not， which provides a reference for the secondary optimization design of the chassis heat dissipation mechanism.

Keywords： electronic products; forced air cooling; heat dissipation simulation analysis

引言

根据相关文献和数据，工作温度是影响电子产品可靠性的重要因素：约55%的电子产品失效是由工作环境温度超过规定值而引起的[1]。并且电子元器件工作温度每升高10℃，其失效率会增加一个数量级[2]。因此对电子产品进行针对性的散热设计可以有效提高产品可靠性。

1 散热设计方案介绍

本文研究的电子产品散热结构设计方案如图1所示。由箱体结构、电子元器件、开关电源以及机箱两侧的对流风扇构成。初始设计方案根据工程师的个人经验在机箱两侧设计一组风扇，构成强迫对流的流体通道，希望达到对流换热的设计目的。

2 热分析基本理论[3]

热传遞途径和方式分三种：传导、对流和辐射。

2.1 热传导理论

热传导是由存在温度差的高低温物体接触而产生的热交换现象。传导换热的物理规律描述为傅立叶定律，即导热过程中总热流量与引起导热的温差成正比，与导热面间距成反比，数学表达式为：

式中：Φ为热流量，单位为W;λ为导热系数，单位为W/（m·℃）;A为垂直于热流方向的截面面积，单位为m2;Δt为温差，单位为℃。

2.2 热对流理论

热对流是由存在温度差的流体和固体耦合而产生的热交换现象。对流换热的物理规律描述为牛顿散热公式：

式中：Φ为对流换热量，单位为W;α为对流换热系数，单位为W/（m2·℃）;A为换热面积，单位为m2;Δt为流体与固体的温差，单位为℃。

2.3 热辐射理论

热辐射是由高于绝对零度的物体之间互相辐射和接收能量而产生的热交换现象。辐射换热的物理规律描述为斯蒂芬伯尔曼黑体辐射计算公式：

式中：Φ为辐射换热量，单位为W;α为黑体辐射常数，为6.669×10-8W/（m2·k4）;A为辐射表面积，单位为m2;T为辐射表面绝对温度，单位为K。

对于强迫风冷式箱体散热设计，热量的流动路径有两部分：（1）利用箱体本身的箱壁作为散热系统的冷板，将发热电气元件的热量通过热导传递到箱壁冷板，再通过冷板与空气的对流换热，进行热交换。（2）利用风扇的强迫对流，将热量通过机箱内外的气压差引起的流体流动传导至外界，其中主控制器下方有一个增强局部散热的风扇，将局部热量强迫对流至主风道。

另外，设备风冷散热系统设计中，热辐射的热量经常做忽略处理。主要原因是热辐射的热量一般较少，而影响辐射热量的因素又非常多而且复杂，进行理论计算往往不可行。本问题属于强迫风冷系统，辐射热量占比很少，做忽略处理。

3 热仿真建模及分析计算

利用Icepak软件对计算区域以及结构进行网格划分，设定网格划分类型为Hexa unstructured，X方向最大网格尺寸为48.2mm，Y方向最大网格尺寸为22.15mm，Z方向最大网格尺寸为30mm，最小间隙为0.2mm。划分完成之后，进行网格质量检查，满足要求。

建立仿真模型时主要的设定如下：

（1）热计算区域取1.5倍机箱体积，重力轴向下（-Y向），计算区域的六个面均为Opening， Opening采用环境温度（40℃）作为温度边界条件。

（2）建立风扇模型。

定义右侧风扇工作方向为IN-OUT方向，风量为0.1kg/s。

定义左侧风扇工作方向为OUT-IN方向，风量为0.1kg/s。

定义主控制器下方风扇工作方向为Down-Up方向，风量为0.1kg/s。

（3）设定机箱所有的结构件的材料属性，包括热导率、比热容、密度。

设定所有发热元器件的热功率。

完成的模型如图2所示。

设置模型的流态为湍流，并采用零方程模型，同時求解流场和温度场，机箱内部和外部流体为空气，大气温度为25℃，求解稳态时的温度场和流体场。

求解完成，求解时的残差曲线如图3所示，迭代达到100步时求解终止。Continuty残差没有完全收敛，但是接近10e-3而且其它残差均低于10e-3，判定为计算结果收敛。

电子机箱内部温度分布情况如图4所示。

计算区域内的流体场的分布情况如图5所示。

后处理结果总结如下：

（1）机箱内部元器件工作温度最高的是主控制器，最

高温度为68.6℃，主控制器所产生的热量主要靠主控制器下方风扇形成的强迫对流传导至主风道，再由侧板两个风扇行成的主风道向机箱外传导。

（2）电源位置也产生了一定的局部温度聚集，温度约为52℃。

左右侧板风扇工作方向为左侧风扇进风右侧风扇出风，主控制器下方的风扇工作方向为朝上排风。产品内部行成的流体（空气）场分布合理。

（3）根据切断面的温度分布可见，机箱内部环境温度约为41℃。

4 热设计分析结论

自动测控设备在稳态工作时，主控制器工作温度为68.6℃，未超过允许的温度上限，可以正常工作;且机箱内部的温度环境（约41℃）满足其他电子元器件的工作条件。而且三个风扇的位置及工作方向设计达到了风道设计的设计意图，形成的风道合理有效。

5 结束语

本文提出了一种采用了强迫对流设计的电子机箱散热结构方案和一种基于Icepak的热仿真分析方法，并且针对此工程问题进行了详细的仿真分析。通过仿真计算验证了该电子机箱产品的散热性能满足要求，提高了产品的设计可靠性。

参考文献：

[1]仁恒，刘万钧，黄靖，等.基于Icepak的机箱热设计研究[J].电子科学技术，2015，2（6）：639-644.

[2]李忠，潘军，韩磊，等.基于Icepak的火炮驱动器热分析[J].电子机械工程，2019，8（4）：39-43.

[3]王永康.ANSYS Icepak电子散热基础教程[M].北京：国防工业出版社，2015.

[4]包烨舒.室内电子机箱热设计技术研究[D].浙江大学，2012.