基于ICEPAK軟件的電子方艙熱設計

李衛洲

0 引言

隨著電子技術的不斷發展,電子設備的功能和復雜性與日俱增,集成度越來越高,電子設備單位體積的功耗不斷增大,導致電子設備的溫度迅速上升,從而引起電子設備的故障越來越多。對于由種類繁多的電子設備所組成的系統級裝備同樣存在著解決散熱困難的問題。目前,傳熱與流場分析方面已有很多成熟的仿真軟件,由于研究對象的復雜程度不同,用這類軟件分析解決元件級、板級、設備級的熱設計問題比較多,解決系統級熱控問題比較少,對電子設備的熱設計問題進行較深入的研究,找出系統級設備熱設計問題的關鍵點和技術方法,對總體設計意義重大。電子方艙是典型的系統級電子設備的載體,采用專業的電子設備熱分析軟件ICEPAK對方艙的進行建模、分析,可以驗證熱設計方案的正確性和可行性,節約成本的同時大大提高效率。

1 總體設計方案

工程總體要求,項目為車載站電子方艙系統,滿足機動性要求,駐車工作。該車載站包含:汽車底盤、電子方艙、4套設備(高頻設備、低頻設備、復接器等)、4套天線及伺服系統、供配電系統(配電單元、UPS、電池等)、供系統野外用電的發電機組及其他通信配套設備和附件。

根據整車設備數量、重量配置、維修性等方面的需求,方艙從前到后設置設備艙、附件艙和發電機艙。其中,設備艙安裝4臺設備機柜及沙發等附屬設備;附件艙后部、發電機艙上面設吊柜存放車輛附件,并在和設備艙之間的隔壁上對應設備機柜處開設維修門,便于設備后部維修;發電機艙安裝1臺14.4 kVA發電機組。另外根據各艙室的實際情況設置進、排風口和百葉窗等換氣裝置、應急門、艙門、對外接口(信號口、電源口、轉接口等),艙頂安裝天線及波導系統。該電子方艙結構特征為:方艙由6塊壁板組成,壁板內外蒙皮為1.2 mm防銹鋁板,中間為阻燃型的聚胺酯泡沫芯材,密度為(60±5)kg/m3,艙壁傳熱系數為1.5 W/(m2?℃);方艙外形尺寸:L5 000 mm×W2 400 mm ×H1 900 mm;

該電子方艙系統的散熱及降溫措施有:在設備艙中設置進排風口,提供艙內人員的新鮮空氣需要量及艙內外的換熱;在高頻設備前面板開設進風網孔,在設備后面板對應位置設置排風扇,對功放、電源等高溫部件進行強制風冷;發電機艙左右艙門設百葉窗,在艙體后壁設排風扇,用于排出發電機所產生的熱氣,發電機的排煙管經過轉接,穿過后艙壁將高溫煙氣排到艙外,排煙管表面纏繞隔熱材料,在發電機艙內壁貼裝隔熱材料;方艙前壁安裝1臺整體式空調,送風風道布置到設備艙和附件艙,但和發電機艙隔開。

2 熱源分析及熱問題

2.1 方艙中的傳熱類型

根據方艙的特點和傳熱學的基本理論,下面分別介紹一下方艙內部關于傳熱的3個方面。

2.1.1 傳導

方艙內部熱傳導包括元件與印制板、器件與安裝結構件、設備與機柜之間的傳熱;設備內外部、方艙內外部溫度差引起的熱量傳遞;其他物體直接接觸形成的熱傳遞。為溫度梯度矢量,K/m;φ為熱流量,W;q為熱流密度,W/m2[1]。

2.1.2 對流換熱

方艙內部對流換熱包括設備的強制風冷散熱、方艙的內外部空氣交換、空調的艙內外換熱及其他由于空氣流過固定表面且溫度不同所產生的熱量交換。

對流熱量交換可根據牛頓冷卻公式計算。

式中,h為表面傳熱系數或對流換熱系數,W/(m2?K);A為對流換熱面積,m2;Δt為固體壁面溫度tw與流體溫度tf之差的絕對值,Δt大于零,保證熱流量φ或熱流密度q取得正值,K。

2.1.3 輻射換熱

方艙內部的輻射換熱包括設備之間由于溫度不同引起的輻射換熱,另外方艙艙壁受太陽輻射吸收熱量而使艙壁溫度相對于氣溫更高。

式中,λ為導熱系數,W/(m?K);A為垂直于導熱方形的截面面積

輻射熱量可采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律的修正形式:

式中,ε為輻射黑度或發射率,他指物體的輻射能力與同溫度黑體的輻射能力之比,其值小于1,且與物體的種類、溫度及表面狀況等有關。

關于太陽輻射,單位時間內地球大氣層外緣單位表面積所能接受到的太陽能為:

式中,f為日-地距離的修正系數,一般取f=0.97～1.03;據測定,某一溫度下,單位時間內在日-地平均距離處,地球大氣層外緣與太陽輻射射線相垂直的單位表面積所接受到的太陽能為(1 367±1.6)W/m2,此值記作SC;θ為太陽射線與地面法線間的夾角。

2.2 熱源分析

通過對該車載站的工作情況、使用條件、周圍環境進行分析,其主要熱源有以下3種:

①安裝在設備機柜上的系統電子設備耗散出很大的熱量,特別是高頻設備,散熱量集中;

②大功率的發電機組在一個相對較小的空間內,發電機自身熱風先排在發電機艙內,然后才能通過排風扇排往艙外,再加上排煙管表面較高的溫度,使得發電機艙艙內溫度很高;

③當電子方艙野外露天使用時,在太陽輻射下,方艙表面溫度升高,雖然艙壁內有斷熱橋和隔熱材料,但是長時間照射后還是會使艙內溫度升高,惡化工作環境。

2.3 存在的熱問題

工程經過設計后,電子方艙工作時有2個方面的熱問題,下面分析一下故障現象及原因:

①由于發電機艙是個相對封閉的環境,發電機在工作一段時間后,由于熱量聚集越來越多,使得發電機本身溫度過高,當發電機表面溫度達到105℃時,發電機啟動自動保護程序使發電機停止工作。原因可能是發電機艙的進排風量有限,不能及時的將發電機組工作時產生的熱量及時帶到艙外,以致發電機組自動熱保護;

②4個設備機柜頂部安裝的高頻設備由于內部功放和電源模塊發熱量大,熱風經過排風扇排出,在高頻設備后部和方艙隔壁之間形成熱量聚集,溫度的升高提高了高頻饋線饋線損耗,根據相關資料顯示溫升對于饋線的損耗可以表示為:Att.(atX℃)=Att.(at20℃)+(X-20)×0.002,其中X為工作溫度。熱氣流反作用于高頻設備內部,使得高頻設備內部的溫度提高,影響高頻組件和其他電子元件的正常工作。原因可能是高頻設備散發的熱量通過設備后部的風機排出,但是受到隔壁的阻擋,熱量聚集,使得溫度升高。

3 解決方案

在以上分析的基礎上,要想降低艙內空間熱阻,提高散熱效果主要包括3個方面:①提高設備向外界的傳熱能力,可以利用強制風冷等措施;②改善艙體內部結構,提供一條設備向外傳熱的低熱阻通路;③通過設置風機,增加艙內外對流效果。

針對容易出現熱問題的兩個部分,改進方案如下:在發電機艙底部加柵格進風口,同時把方艙后壁排風扇的數量從1個增加到4個,來加大發電機艙的進排風量,以保證發電機組產生的熱氣能及時排出艙外;為高頻設備的每個風機在其和隔壁之間加單獨風道,使高頻設備產生的熱量及時排到附件艙,然后通過附件艙排風扇排出艙外,以免在機柜后部形成熱量聚集。經過上述2個方面的改進后,方艙設計方案示意圖如圖1所示。

圖1 方艙設計示意圖

4 系統建模及仿真結果分析

系統方案熱設計仿真使用的是美國Fluent公司的ICEPAK熱分析專用軟件。仿真過程分為五步:建模、有限體積法分析(網格劃分)、定義邊界條件、計算、后處理。

4.1 系統建模

由于分析的是整個方艙系統的熱設計,對于其中安裝的電子設備本身的溫度控制不做考慮。以下為電子方艙中關于熱設計的4個重要部分的簡化建模方法。

4.1.1 高頻設備

由于高頻設備總功耗為800 W,其輸出功率為80 W,效率為10%,所以我們近似認為每臺高頻設備的熱耗散功率為800-80=720 W。建模時不考慮設備內部復雜的結構,只是在內部設置一個帶散熱器的熱阻,設置其功耗為720 W。

4.1.2 發電機組

發電機組本身是一個非常復雜的系統,要按實際情況建模非常復雜,其技術指標為:

外形:L1 392 mm×W710 mm×H810 mm;

發動機功率:17.5 KW;

額定輸出功率:14.4 kVA;

實測散熱口溫度:85℃;

實測排煙口溫度:400℃;

設計熱保護溫度:105℃;

根據計算結果,發電機組的總散熱量約為17.5-14.4=4.54KW,但是由于散熱量不集中,且發電機組內部結構復雜,仿真中建模根據實測的排煙管溫度、出風口溫度等來確定模型中發熱元件的功率。

4.1.3 設備機柜的其他設備

由于設備機柜除高頻設備外,其他設備功耗都不高,并且設備本身全部為自然散熱,建模時計算各個機柜的其他設備功耗,并把其作為一個整體散熱塊,設定其總功耗。結果為:設備機柜1、2、3、4功耗分別為 200 W、160 W、170 W、330 W。

4.1.4 太陽輻射對方艙的影響

在實際使用環境中,方艙最多有3個面能受到太陽照射,熱設計計算時取頂面、左側面、后端面按太陽照射面計算,其余3個面為按環境溫度,太陽照射面會產生比環境溫度高的附加溫升,取附加溫升值為 Δt=15℃。艙壁的傳熱系數為K=1.5W/(m2℃)。根據式(1)計算各艙壁傳熱量。

頂壁:

左側壁:

后端面:

為這3個壁板分別設置散熱量。

除了上述4個方面需要在軟件中設中設置其參數外,方艙中其他零功率附件可忽略。

4.2 仿真結果分析

仿真條件:考慮所有設備開機并滿負荷運行的最惡劣情況;不考慮電子方艙安裝空調等降溫設備對整個環境的影響,因為有時供電只能滿足電子設備的供電需求或者溫控系統出現故障,為保證在一般情況下系統還能正常工作,按照環境溫度40℃的高溫環境計算,如果氣溫在40℃以上,必須要溫控設備保證環境溫度;考慮除進、排風口外,所有艙門都關閉的情況。

根據建立好的模型在ICEPAK熱仿真軟件中劃分網格,網格劃分時要對高頻設備、發電機組等關鍵區域加密,定義邊界條件,設置環境溫度為40℃,進行仿真計算。方艙方案改進前后熱仿真結果如表1所示。

表1 方案改進前后熱仿真結果

通過仿真結果可以得到,發動機部分的溫度為85℃左右,保證了發電機組不會因為過熱保護(保護溫度105℃)導致自動停機;高頻設備和間壁之間的溫度為55℃(改進前此處溫度約80℃)左右,此區域的熱量得到了有效疏導,降低了高頻饋線的傳輸損耗;高頻設備內部空間(除散熱器本身)的溫度為65℃以下(改進前內部溫度高達85℃),高頻設備內部的元器件工作環境得到了一定改善,有利于提高設備的可靠性。

實際工程中按照改進方案對車載站進行了改造,在系統使用過程中沒有出現發電機組過熱保護和高頻設備過熱的現象,系統運行可靠,這種設計方案也在后續的幾個工程中得到了應用,并且證明安全 、可靠 。

綜上所述,此方案的改進是成功的,不但保證了系統結構設計的可靠性和所選設備的通用性,而且使影響系統性能的兩個溫度薄弱點能滿足設備工作環境溫度要求,從而保證了整個系統使用的可靠性,并驗證了熱分析的正確性。

5 結束語

通過ICEPAK熱仿真軟件在該電子方艙熱設計時的應用,方艙熱設計的關鍵問題得到了量化分析,實踐證明,改進方案的仿真結果正確,利用此類熱仿真軟件對系統級設備進行熱設計可使設計效率得到很大提高。熱設計是一個系統的工程,總體設計要求要客觀,設備選型要合適,安裝位置要合理,并從元件級、板級、設備級開始就要引起足夠重視,這樣才會有一個完美的系統熱設計方案。

[1]郁 嵐,衛運鋼,尚玉琴.熱工基礎及流體力學(第一版)[M].北京:中國電力出版社,2006.

[2]白秀茹.典型的密封式電子設備結構熱設計研究[J].電子機械工程,2002,18(4):36-38.

[3]王 麗.大功率電子設備結構熱設計研究[J].無線電工程.2009,39(1):61-64.