摘" 要：针对某便携式设备结构热设计，根据其使用环境条件要求，通过计算机箱表面热流密度及许用温升，确定机箱散热方式，选择适用风机，合理布局机箱内部各模块位置，确定机箱结构模型。利用三维建模软件UG对机箱样机进行建模，并结合ANSYS Icepak热仿真分析软件，对机箱进行热仿真分析计算，验证该机箱结构热设计方案的合理性、风机选择的适用性。该过程将理论分析与软件仿真相结合，极大地提高了电子设备结构热设计的效率及可靠性，为今后开展电子设备结构热设计提供参考。
关键词：电子设备；结构热设计；Icepak；热仿真
中图分类号：TP39；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）11-0121-05
Thermal Design of a Portable Device Based on ANSYS Icepak
MENG Wei
（The 20th Institute of CETC， Xian" 710068， China）
Abstract： Aiming at the thermal design of a portable device， according to the requirements of the using environmental conditions， this paper determines the heat dissipation mode of the chassis through calculating the surface heat flux and allowable temperature rise， then chooses the suitable fans and rationally arranges the location of modules inside the chassis， and determines the structure model of the chassis. It uses UG （3D modeling software） to carry out modeling for the chassis prototype， and combines the ANSYS Icepak （thermal simulation analysis software） for thermal simulation analysis calculation to verify the rationality of the thermal design scheme of the chassis and the suitability of the fans. The combination of theoretical analysis and software simulation can highly improve the efficiency and reliability of the thermal design of the electronic device， and provide a reference for future thermal design of the electronic device.
Keywords： electronic device; thermal design; Icepak; thermal simulation
0" 引" 言
随着电子设备集成度的提高，因散热引起的电子设备失效问题越发突出[1]，热设计直接影响到电子设备的性能及可靠性，因此科学合理的热设计成为当下电子设备结构设计中急需关注和解决的重大问题。
长期以来，电子设备结构热设计都是以经验为主导，借鉴已有设备的结构设计形式进行样机设计、生产，经试验验证后进行优化设计，往复迭代导致产品设计周期长，成本高。热仿真分析软件能够在方案阶段对电子设备结构热设计进行仿真分析，得到机箱内部温度分布情况，对优化机箱结构热设计提供指导，经多次对比分析，找到最佳设计方案，极大地缩短了产品开发周期，减少了生产及验证成本，提高了产品设计效率[2]。
本文通过理论计算与Icepak仿真分析相结合的方式，对某便携式设备进行结构热设计，验证其结构设计的合理性，为后续产品设计提供指导。
1" 散热方式
电子设备有多种散热方式，常见的有：自然散热、强迫散热、热电散热以及热管散热[3]。
自然散热利用空气密度变化产生的自然对流进行热量交换，其结构形式简单，可靠性高，不需要任何辅助设备，能极大地降低电子设备结构的复杂程度，但自然散热效率较低，只适用于热耗较低的电子设备，对电子设备的功耗有一定限制，如各类便携式电子设备。
强迫散热又包含强迫风冷散热及强迫液冷散热。强迫风冷散热是利用风机等外部设备产生的强制对流带走热量。通常情况下，风扇将设备周围的冷空气吸入设备内部，并经由专门设计的风道或者直接吹过功耗器件表面的散热片来带走热量。相比于自然散热，强迫风冷散热能够满足较大热耗设备的散热需求，但需要额外增加风扇，噪声大，多适用于功耗较高的电子设备，常用于车载以及地面大功率电子设备。
液冷散热是利用水、冷却液等各种液体的传热特性，通过压力泵使其沿特定的管路往复循环带走热量。液冷散热具有噪声低、散热效率高的特点，但是其结构形式复杂，一般而言，一套液冷散热系统包含冷却液、压力泵、管道、水箱、二次换热装置以及配套动力系统、监控系统等，整个系统庞大，系统成本较高，通常用于强迫风冷散热无法满足其散热需求的大体积、高热耗的电子设备，如雷达、大功率服务器、超级计算机等。
热电散热又称半导体散热，是利用帕尔贴效应产生冷端、热端来带走热量，不需要外部机械动力，无噪声和振动，可将发热器件温度降至比环境温度还低，但热电制冷需要消耗大量的电力，引起系统功耗增加，通常用于微波设备、激光设备。
热管散热是一种高效的散热方式，利用其独特的内部结构实现热量的快速转移。热管一般为密封装置，分为冷凝端和蒸发端，蒸发端靠近需要散热的器件，冷凝端靠近方便二次换热的区域，热管内部装有容易发生相变的液体，外部功耗器件将蒸发端吸液芯内的液体沸腾汽化，利用蒸发吸热将功耗器件表面温度降低，热蒸汽沿着热管转移到冷凝端，在冷凝端液化成液体，释放的热量由冷凝端通过外部二次换热装置带走，液化后的冷却液通过毛细作用返回到蒸发端，如此循环带走热量。热管散热的出现很好地解决了狭小空间电子设备散热问题。
具体选用何种散热方式取决于设备的功耗、尺寸以及应用场景，对常规的小型电子设备，一般常选用自然散热及强迫风冷散热，具体需要根据设备的许用温升及表面热流密度来确定。
1.1" 许用温升
温度是电子设备可靠工作的基本条件之一，环境温度的变化直接影响着电子元器件的性能，进而影响到电子设备整机的工作状态[4]。根据某便携式设备使用环境要求，当工作温度在-25～60 ℃范围内，设备应能正常工作，设备内部各模块表面温度应不超过85 ℃，因此其许用温升为25 ℃。
1.2" 表面热流密度
该便携式设备外形尺寸为290 mm×260 mm×140 mm（不含把手、连接器、支脚等凸出物），内部共有9个模块，根据其结构形式及功耗情况均匀分布在设备两侧，设备总功耗为180 W，各模块功耗如表1所示。
表面热流密度[5]计算：q = φ / s，其中：q表示表面热流密度，单位W/cm2；φ表示设备总热耗，单位W；s表示散热面积，单位cm2。
根据上述描述，该设备的表面热流密度q = 180 /（2×29×26 + 2×29×14 + 2×26×14） = 0.06 W/cm2。
根据上述设备许用温升及表面热流密度计算结果，参照图1 [6]电子设备散热方式选择可以得到，该便携式设备采用强迫风冷散热为宜。
2" 风机选型
风机选型需要考虑风道、压力、噪声等，合理的风机选型可以使风机工作在最佳状态，能有效延长风机的使用寿命，降低风机噪声，同时合理风机选型还能降低产品成本。
依据热平衡方程，计算机箱散热所需的风量[7]：Q = φ / ρCpΔt，其中：Q表示冷却所需的风量，单位m3/s；φ表示设备热耗，该便携式设备热耗为180 W；ρ表示空气密度，取1.06 kg/m3；Cp表示空气比热容，取1 005 J/（kg·℃）；Δt表示机箱风道进出口空气温升，根据经验取10 ℃。通过计算可得设备冷却所需风量：Q = 180 / （1.06×1005×10） = 0.016 9 m3/s = 60.8 m3/h。
考虑到系统阻力，实际选用风机时以理论值的1.5～2倍作为参考风量进行风机选型[8]，因此所选风机的风量应不小于91 m3/h。
结合散热需求、结构尺寸、风机特性以及国产化要求，此处选用苏州电讯电机厂的轴流风机，型号为37FZW211-28GJ，其特性曲线如图2所示。
选用4个风机并联，总风量为4个风机风量之和，风压保持单个风机风压不变。
3" 样机模型建立
根据上述风机选型结果以及各模块外形尺寸及功耗情况，在综合考虑内部线缆连接关系的同时，合理布局各功耗模块，对该便携设备机箱结构进行设计，风道位于设备中间，各模块紧贴风道两侧，整机布局如图3所示。
4" 仿真分析
ANSYS Icepak [9]是一款专业的电子产品热分析软件，广泛应用于各个行业，其强大的功能能够帮助设计人员分析各种工况下产品的热性能，解决产品设计中存在的各种散热问题，提高产品的性能及可靠性，缩短产品设计的迭代周期，减少产品设计成本。
4.1" 仿真模型的建立
利用Icepak进行热分析时，首先要进行模型简化，去掉原几何模型内包含的安装孔、圆角、倒角、密封槽等不影响仿真结果的要素。Design Modeler [10]是ANSYS Workbench软件自带的CAD接口模块，能够兼容各类三维建模软件，方便用户在三维建模软件中完成模型建立及修改后，直接将仿真模型导入Icepak。通常情况下由三维建模软件直接导入的CAD模型无法直接被Icepak识别，需要在Design Modeler进行转换。Design Modeler提供了四个级别的模型转化level 0～level 3。level 0将模型转化为一个立方体，所有几何特征都消除；level 1可以将导入的模型转化为长方体及圆柱体的组合；level 2则可以在level 1的基础上对多边形进行拟合。而对复杂CAD模型一般多进行level 3级别的转换，将CAD模型直接转化成Icepak认可的实体，保留三维模型的所有特征信息。此外，机箱进出风口利用Icepak中grille模型代替，设置开孔比例，风扇模型利用Icepak中fans代替，以降低模型的复杂程度，有利于减少网格划分，缩短计算时间，简化后的仿真模型如图4所示。
4.2" 网格划分
进行仿真计算前，需要先对模型进行网格划分，网格划分质量直接决定了仿真计算时间及结果的可靠性，较差的网格划分还有可能引起计算结果的不收敛。Icepak共有三种网格类型[11]：六面体占优网格、非结构化网格和结构化网格。对异形CAD几何体而言，网格划分必须使用六面体占优网格，网格划分结果如图5所示。
整个模型经过网格划分后，共有1 319 227个单元，1 481 241个节点，面对齐率Face Alignment大于0.42，网格偏斜度Skewness大于0.076，网格质量良好，满足计算要求。
4.3" 参数设置
仿真模型建立后，需要进行参数设置，根据设计要求，将环境温度设置为最高工作温度60 ℃，按照表1内容对各功耗模块进行功耗设置，设置风扇模型fans为Exhaust，即向外抽风，并将图2风扇的P-Q曲线输入其中，空气流动状态调整为湍流Turbulent，其余采用默认设置。
4.4" 结果分析
按照上述步骤完成模型简化和仿真条件设置后，进行热仿真计算，所得结果如图6、图7和图8所示。
从图6可以看出，整个计算过程收敛，计算结果有效。图7为设备内部各模块温度分部云图，从中可以看出，当环境温度为60 ℃时，设备内部最高温度为72.141 8 ℃，为核心处理板，小于许用温度85 ℃，热设计满足要求。图8为计算结果汇总，图中详细罗列了设备所有部分的最大温度值，与图7相对应，最大值为72.141 8 ℃，为核心处理板。同时从图8中还可以看到风扇总流量为0.029 55 m3/s，即106.38 m3/h，大于设备散热所需空气流量91 m3/h，单个风扇风量为26.6 m3/h，风压为29.59 N/m2，通过查找图2风机特性曲线，风机工作点位于风机特性曲线的后半段，符合风机工作特性，风机选型合适。
通过上述仿真结果可以看出，设备机箱结构设计合理，热性能满足使用要求。
5" 结" 论
通过理论计算许用温升及设备的表面热流密度，可以确定整机散热方案；冷却风量的计算则可以指导机箱风扇的选型，进而完成整机样机设计。热仿真软件的计算结果，可以验证整机结构设计的合理性，检验电子设备热性能，同时还可以验证风扇选型的准确性，展示电子设备内部热量分布，为整机热性能的优化提供指导。
这种将理论计算与软件仿真结合的方法能快速验证电子设备结构热设计的性能，为电子设备热设计优化提供指导，有助于缩短产品研发周期，同时为类似电子设备的结构热设计提供参考。
参考文献：
[1] 赵惇殳.电子设备热设计 [M].北京：电子工业出版社，2009.
[2] 卢锡铭，徐振朋.舰载加固服务器热设计优化与数值分析 [J].机械设计与制造，2023（4）：172-175.
[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] 张斌，田晓旸，宋国莲.电子机箱强迫风冷散热系统设计及性能仿真分析 [J].科技创新与应用，2020（27）：81-83.
[5] 李玲娜，蔺佳.基于ANSYS Icepak的密闭机箱散热仿真分析 [J].光电技术应用，2012，27（6）：75-79.
[6] 张学新.某地面电子设备的热设计 [J].电子机械工程，2014，30（4）：8-11+23.
[7] 唐兵.某户外便携密闭机箱的结构与热设计 [J].舰船电子对抗，2022，45（6）：115-120.
[8] 朱玉璞.一种舰载强迫风冷密闭机箱的设计 [J].舰船电子对抗，2021，44（3）：120-123.
[9] 杨爱娟，杨建明，孙博文，等.基于Icepak分析的特种机箱散热孔造型设计 [J].机械设计，2022，39（8）：143-147.
[10] 张新东，金旸霖，韩文静.某弹载电子机箱的热设计 [J].机械与电子，2020，38（5）：47-50.
[11] 丁学凯，孙立军.ANSYS Icepak 2020电子散热从入门到精通：案例实战版 [M].北京：电子工业出版社，2022.
作者简介：孟玮（1990—），男，汉族，陕西榆林人，工程师，硕士研究生，研究方向：电子机械。
收稿日期：2024-03-10
