Icepak在計算機聯鎖系統熱設計中的應用

沈艷麗

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

計算機聯鎖系統負責處理進路內的道岔、信號機、軌道電路之間安全聯鎖關系，接受ATS或操作員的控制指令，向ATP、ATS輸出聯鎖信息。為確保行車安全，在地下鐵道的有岔站、車輛段和大鐵沿線各個車站，必須設置聯鎖設備。計算機聯鎖是地鐵信號系統的安全核心，對提高地鐵運營效率、自動化程度、管理水平以及減少行車指揮調度人員的工作強度具有最直接的影響。

計算機聯鎖系統作為一款電子設備系統，隨著電子技術水平的高速發展，提高其性能和可靠性，成了設計的主要方向，而溫度問題是提高電子產品可靠性最重要的原因之一。

2 Icepak軟件功能及特點介紹

Icepak軟件是面向熱產品設計和分析工程師的軟件，采用熱設計分析所專用的機柜、風扇、印刷電路板、阻尼和通風口等模型。建模過程快捷，網格生成與計算都是自動進行的。整個軟件采用統一集成化的環境界面。

Icepak作為專業的熱分析軟件，在產品設計和開發的各個階段，Icepak都可以幫助客戶優化設計，解決系統級、組件級、封裝級不同類型問題。

Icepak具有以下技術特點。

1）建?？焖?，具有多種模型直接接口、現成的模型庫、各種形狀的幾何模型。

2）自動網格生成，采用非結構化網格技術，支持四面體、五面體、六面體、柱體以及混合網格類型。

3）廣泛的模型能力，擁有用戶模擬過程所需要的各種物理模型，包括流動模型和傳熱模型。

4）解算功能，采用計算流體動力學（CFD）求解器。

5）可視化后置處理。

3 計算機聯鎖系統熱設計仿真

3.1 問題描述和分析

該系統標準站由3個機柜組成，機柜為600×800×2250，無風扇自然散熱系統。原始方案中后門底部為進風口，后門中上部和頂部為出風口，同時左右側門也開通風孔，且機柜頂部有一個風扇安裝備板。

根據系統特點，重點關注聯鎖機柜中PCB的溫度分布。聯鎖機柜中上部安裝兩個邏輯部機籠，下部安裝兩個輸入機籠。通過對溫度的監測，突出問題有兩個。

1）輸入機籠中I/O電源板電源模塊散熱片溫度過高。

2）邏輯部機籠中聯鎖CPU板PC104芯片溫度過高。

3.2 解決方案

通過Icepak軟件對聯鎖機柜進行熱設計仿真，需要了解機柜中發熱元件的溫度情況，根據溫度情況評估設計方案的合理性。實際仿真過程中考慮各種能夠降低溫度的措施，針對仿真結果確定哪些措施真正有效，哪些措施效果不明顯。

根據本系統的結構與溫度分布分析，具體措施應該考慮改善機柜風道和優化模塊散熱片。

3.2.1 風道改進

首先根據原始方案和各種整改方案分別建立仿真，對比仿真結果，確定有效風道整改方法如下。

1）去除機柜頂部的風扇安裝備板。

2）將機柜頂部通風孔前移，且通風率優化為0.6。

3）機籠的上下蓋板通風率優化為0.75。

4）機柜側面的通風孔去除。

整改后結果如圖1、2所示。由圖1和圖2比較可見，整改后氣流明顯流暢，且流速有增大，利于熱量散出。

3.2.2 散熱片的優化

I/O電源板電源模塊散熱片，是設計加工的鋁質散熱片，使用Icepak優化公式方法，并考慮實際加工與線路板的布局，得到最佳方案：散熱片尺寸為1551×114×10.5，內部齒厚1 mm，齒間距均為1.6 mm，且為了增大散熱面積，齒側需加工凹槽。

PC104芯片散熱片為外購標準件，可以優化部分較少，最后方案：聯鎖CPU板PC104芯片散熱片底座尺寸由3 mm改為5 mm，散熱片高度由7 mm改為15 mm，加大散熱片的散熱面積。

3.2.3 仿真結果

綜合風道整改和散熱片優化，整改的仿真結果如圖3所示。

3.3 實際整改結果

根據仿真方案對真實設備進行整改，整改前后在相同的工作狀態下，分別用熱相儀拍攝實際線路板的溫度分布。

因整改前后測量的環境溫度相差約4℃，所以實際整改效果需考慮這個溫度差。

整改結果如圖4所示，聯鎖1系CPU板溫度約17.6℃,考慮測試時環境溫度的因素，實際約降低13.6℃。I/O電源板溫度下降約24.3℃,考慮測試時環境溫度的因素，實際約降低20.3℃。

4 小結

綜上所述，本文通過對計算機聯鎖系統采用Icepak軟件進行熱設計仿真，并對散熱片進行優化，充分體現了Icepak軟件在熱設計應用上的優越性。通過仿真結果及實際實驗的驗證情況對比，證明計算結果真實可靠,大大減小了熱設計的難度，提高了工作效率，減少了設計反復，從而達到了縮短研制周期，降低成本的目的。

[1]陳潔茹，朱敏波，齊穎.Icepak在電子設備熱設計中的應用[J]，電子機械工程，2005（1）：14-16