Icepak在電子設備熱設計中的應用

于德江+李振超+王歡

摘 要：文章明確了熱設計在產品設計過程中的重要性，介紹了電子設備散熱的若干方法；對熱分析軟件Icepak的功能特點、應用范圍以及仿真步驟進行了介紹，并利用Icepak軟件進行了實例仿真。

關鍵詞：Icepak；熱設計；熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak （實線）和傳統設計（虛線）的兩種產品開發模式的比較。產品開發人員通過Pro/E等大型三維CAD設計軟件進行產品的三維設計，建立產品的虛擬樣機，基于Icepak的產品設計用在虛擬樣機上的仿真替代了在物理樣機上的測試，這樣能夠減少甚至取消物理樣機的制造，大幅度地縮短研發流程，降低研發費用，提高設計質量。因此特別適合于物理樣機制造周期長、費用昂貴的復雜產品的開發。

圖1 兩種開發模式的比較

2 電子設備的散熱方法

2.1 傳導

傳導是由于動能從一個分子轉移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導可以在固體、液體或氣體中發生，它是在不透明固體中發生傳熱的唯一形式。對于電子設備，傳導是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導進行散熱的方法有：增大接觸面積、選擇導熱系數大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質量、在接觸面填導熱脂或加導熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強迫對流，是電子設備普遍采用的一種散熱方式。產品設計中提到的風冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點

Icepak軟件是專業的、面向工程師的電子產品熱控分析軟件，可以解決各種不同類型和尺度的熱流耦合仿真問題，在航空和航天電子設備、通訊、汽車、電氣、電源設備、通用電器及家電等諸多領域得到廣泛應用。

Icepak具有以下技術特點：（1）建模快速，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。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統級的問題進行建模。（2）定義整個系統的熱計算區域。（3）定義各種材質的物理特性。（4）定義邊界條件，如熱流密度、導熱率、傳熱系數、初始溫度等計算時所必須的參數。（5）檢查模型及物體定義，對計算區域進行網格劃分，保存生成的網格文件。（6）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數以確定用層流模式還是湍流模式。（7）通過Icepak求解器讀取保存的網格文件，設定監測點，設定迭代次數，開始計算。（8）查看計算結果，利用Icepak的后處理功能來顯示監測點的各種參數曲線（若均收斂，說明網格優良，計算結果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實例

某電子設備為航天設備，應用環境為真空，環境溫度60℃，機箱材料為2A12鋁合金，機箱內置9塊電路板，總功率為12.98W，采用的散熱方式為傳導和輻射，具體方法為：（1）機箱氧化為黑色，以便提高輻射換熱系數；（2）盡可能減少輻射的遮蔽，以提高輻射散熱效果；（3）在機殼側面開減輕槽，增加其側表面積，加強輻射散熱；（4）在電路板上設計冷板，元器件通過冷板與電路板電裝在一起，通過冷板增加散熱面積，將熱量快速傳導至機箱；（5）元器件底面及側面加涂導熱膠，使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸，增強元器件對電路板的傳導效率。

為了驗證熱設計的可行性，利用Icepak軟件對該電子設備進行了熱仿真，三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設備三維模型及仿真模型

模型建立完成，設置好計算區域，并定義好材料特性和邊界條件后，對該電子設備進行網格劃分。整個模型共劃分559179個單元網格，367532個節點。設定好監測點和迭代次數，開始計算，收斂曲線和溫度監測曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監測曲線

利用Icepak后處理功能查看計算結果，最高溫度出現在機箱內某電源板上，為79.4℃，滿足器件需用溫度范圍，溫度分布云圖如圖4所示。通過查看結果，該電子設備的熱設計合理可行，能夠滿足環境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻

[1]余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]劉一兵.電子設備散熱技術研究[J].電子工藝技術，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應用[R].FLUENT第一屆中國用戶大會，2006：208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機箱的熱設計[J].電子機械工程，2005，21（6）：4-7.

摘 要：文章明確了熱設計在產品設計過程中的重要性，介紹了電子設備散熱的若干方法；對熱分析軟件Icepak的功能特點、應用范圍以及仿真步驟進行了介紹，并利用Icepak軟件進行了實例仿真。

關鍵詞：Icepak；熱設計；熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak （實線）和傳統設計（虛線）的兩種產品開發模式的比較。產品開發人員通過Pro/E等大型三維CAD設計軟件進行產品的三維設計，建立產品的虛擬樣機，基于Icepak的產品設計用在虛擬樣機上的仿真替代了在物理樣機上的測試，這樣能夠減少甚至取消物理樣機的制造，大幅度地縮短研發流程，降低研發費用，提高設計質量。因此特別適合于物理樣機制造周期長、費用昂貴的復雜產品的開發。

圖1 兩種開發模式的比較

2 電子設備的散熱方法

2.1 傳導

傳導是由于動能從一個分子轉移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導可以在固體、液體或氣體中發生，它是在不透明固體中發生傳熱的唯一形式。對于電子設備，傳導是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導進行散熱的方法有：增大接觸面積、選擇導熱系數大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質量、在接觸面填導熱脂或加導熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強迫對流，是電子設備普遍采用的一種散熱方式。產品設計中提到的風冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點

Icepak軟件是專業的、面向工程師的電子產品熱控分析軟件，可以解決各種不同類型和尺度的熱流耦合仿真問題，在航空和航天電子設備、通訊、汽車、電氣、電源設備、通用電器及家電等諸多領域得到廣泛應用。

Icepak具有以下技術特點：（1）建模快速，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。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統級的問題進行建模。（2）定義整個系統的熱計算區域。（3）定義各種材質的物理特性。（4）定義邊界條件，如熱流密度、導熱率、傳熱系數、初始溫度等計算時所必須的參數。（5）檢查模型及物體定義，對計算區域進行網格劃分，保存生成的網格文件。（6）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數以確定用層流模式還是湍流模式。（7）通過Icepak求解器讀取保存的網格文件，設定監測點，設定迭代次數，開始計算。（8）查看計算結果，利用Icepak的后處理功能來顯示監測點的各種參數曲線（若均收斂，說明網格優良，計算結果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實例

某電子設備為航天設備，應用環境為真空，環境溫度60℃，機箱材料為2A12鋁合金，機箱內置9塊電路板，總功率為12.98W，采用的散熱方式為傳導和輻射，具體方法為：（1）機箱氧化為黑色，以便提高輻射換熱系數；（2）盡可能減少輻射的遮蔽，以提高輻射散熱效果；（3）在機殼側面開減輕槽，增加其側表面積，加強輻射散熱；（4）在電路板上設計冷板，元器件通過冷板與電路板電裝在一起，通過冷板增加散熱面積，將熱量快速傳導至機箱；（5）元器件底面及側面加涂導熱膠，使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸，增強元器件對電路板的傳導效率。

為了驗證熱設計的可行性，利用Icepak軟件對該電子設備進行了熱仿真，三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設備三維模型及仿真模型

模型建立完成，設置好計算區域，并定義好材料特性和邊界條件后，對該電子設備進行網格劃分。整個模型共劃分559179個單元網格，367532個節點。設定好監測點和迭代次數，開始計算，收斂曲線和溫度監測曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監測曲線

利用Icepak后處理功能查看計算結果，最高溫度出現在機箱內某電源板上，為79.4℃，滿足器件需用溫度范圍，溫度分布云圖如圖4所示。通過查看結果，該電子設備的熱設計合理可行，能夠滿足環境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻

[1]余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]劉一兵.電子設備散熱技術研究[J].電子工藝技術，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應用[R].FLUENT第一屆中國用戶大會，2006：208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機箱的熱設計[J].電子機械工程，2005，21（6）：4-7.

摘 要：文章明確了熱設計在產品設計過程中的重要性，介紹了電子設備散熱的若干方法；對熱分析軟件Icepak的功能特點、應用范圍以及仿真步驟進行了介紹，并利用Icepak軟件進行了實例仿真。

關鍵詞：Icepak；熱設計；熱仿真

1 概述

圖1給出了基于Icepak （實線）和傳統設計（虛線）的兩種產品開發模式的比較。產品開發人員通過Pro/E等大型三維CAD設計軟件進行產品的三維設計，建立產品的虛擬樣機，基于Icepak的產品設計用在虛擬樣機上的仿真替代了在物理樣機上的測試，這樣能夠減少甚至取消物理樣機的制造，大幅度地縮短研發流程，降低研發費用，提高設計質量。因此特別適合于物理樣機制造周期長、費用昂貴的復雜產品的開發。

圖1 兩種開發模式的比較

2 電子設備的散熱方法

2.1 傳導

傳導是由于動能從一個分子轉移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導可以在固體、液體或氣體中發生，它是在不透明固體中發生傳熱的唯一形式。對于電子設備，傳導是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導進行散熱的方法有：增大接觸面積、選擇導熱系數大的材料、縮短熱流通路、提高接觸面的表面質量、在接觸面填導熱脂或加導熱墊、接觸壓力均勻等。

2.2 對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強迫對流，是電子設備普遍采用的一種散熱方式。產品設計中提到的風冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。

2.3 輻射

輻射是在真空中進行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度、增大輻射體與冷體之間的角系數、增大輻射面積等。

3 Icepak軟件介紹

3.1 功能及特點

Icepak軟件是專業的、面向工程師的電子產品熱控分析軟件，可以解決各種不同類型和尺度的熱流耦合仿真問題，在航空和航天電子設備、通訊、汽車、電氣、電源設備、通用電器及家電等諸多領域得到廣泛應用。

Icepak具有以下技術特點：（1）建模快速，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。

3.2 仿真分析流程

（1）利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統級的問題進行建模。（2）定義整個系統的熱計算區域。（3）定義各種材質的物理特性。（4）定義邊界條件，如熱流密度、導熱率、傳熱系數、初始溫度等計算時所必須的參數。（5）檢查模型及物體定義，對計算區域進行網格劃分，保存生成的網格文件。（6）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數以確定用層流模式還是湍流模式。（7）通過Icepak求解器讀取保存的網格文件，設定監測點，設定迭代次數，開始計算。（8）查看計算結果，利用Icepak的后處理功能來顯示監測點的各種參數曲線（若均收斂，說明網格優良，計算結果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

4 熱仿真實例

某電子設備為航天設備，應用環境為真空，環境溫度60℃，機箱材料為2A12鋁合金，機箱內置9塊電路板，總功率為12.98W，采用的散熱方式為傳導和輻射，具體方法為：（1）機箱氧化為黑色，以便提高輻射換熱系數；（2）盡可能減少輻射的遮蔽，以提高輻射散熱效果；（3）在機殼側面開減輕槽，增加其側表面積，加強輻射散熱；（4）在電路板上設計冷板，元器件通過冷板與電路板電裝在一起，通過冷板增加散熱面積，將熱量快速傳導至機箱；（5）元器件底面及側面加涂導熱膠，使元器件底面和電路板底面可靠的大面積接觸，增強元器件對電路板的傳導效率。

為了驗證熱設計的可行性，利用Icepak軟件對該電子設備進行了熱仿真，三維模型與仿真模型如圖2所示。

圖2 某電子設備三維模型及仿真模型

模型建立完成，設置好計算區域，并定義好材料特性和邊界條件后，對該電子設備進行網格劃分。整個模型共劃分559179個單元網格，367532個節點。設定好監測點和迭代次數，開始計算，收斂曲線和溫度監測曲線如圖3所示。

圖3 熱分析收斂曲線和溫度監測曲線

利用Icepak后處理功能查看計算結果，最高溫度出現在機箱內某電源板上，為79.4℃，滿足器件需用溫度范圍，溫度分布云圖如圖4所示。通過查看結果，該電子設備的熱設計合理可行，能夠滿足環境使用要求。

圖4 溫度分布云圖

參考文獻

[1]余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]劉一兵.電子設備散熱技術研究[J].電子工藝技術，2007（5）：286-289.

[4]李增辰.ICEPAK軟件三維熱分析及應用[R].FLUENT第一屆中國用戶大會，2006：208-212.

[5]薛晨暉.大功率密封機箱的熱設計[J].電子機械工程，2005，21（6）：4-7.