Icepak在计算机联锁系统热设计中的应用

沈艳丽

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

计算机联锁系统负责处理进路内的道岔、信号机、轨道电路之间安全联锁关系，接受ATS或操作员的控制指令，向ATP、ATS输出联锁信息。为确保行车安全，在地下铁道的有岔站、车辆段和大铁沿线各个车站，必须设置联锁设备。计算机联锁是地铁信号系统的安全核心，对提高地铁运营效率、自动化程度、管理水平以及减少行车指挥调度人员的工作强度具有最直接的影响。

计算机联锁系统作为一款电子设备系统，随着电子技术水平的高速发展，提高其性能和可靠性，成了设计的主要方向，而温度问题是提高电子产品可靠性最重要的原因之一。

2 Icepak软件功能及特点介绍

Icepak软件是面向热产品设计和分析工程师的软件，采用热设计分析所专用的机柜、风扇、印刷电路板、阻尼和通风口等模型。建模过程快捷，网格生成与计算都是自动进行的。整个软件采用统一集成化的环境界面。

Icepak作为专业的热分析软件，在产品设计和开发的各个阶段，Icepak都可以帮助客户优化设计，解决系统级、组件级、封装级不同类型问题。

Icepak具有以下技术特点。

1）建模快速，具有多种模型直接接口、现成的模型库、各种形状的几何模型。

2）自动网格生成，采用非结构化网格技术，支持四面体、五面体、六面体、柱体以及混合网格类型。

3）广泛的模型能力，拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型，包括流动模型和传热模型。

4）解算功能，采用计算流体动力学（CFD）求解器。

5）可视化后置处理。

3 计算机联锁系统热设计仿真

3.1 问题描述和分析

该系统标准站由3个机柜组成，机柜为600×800×2250，无风扇自然散热系统。原始方案中后门底部为进风口，后门中上部和顶部为出风口，同时左右侧门也开通风孔，且机柜顶部有一个风扇安装备板。

根据系统特点，重点关注联锁机柜中PCB的温度分布。联锁机柜中上部安装两个逻辑部机笼，下部安装两个输入机笼。通过对温度的监测，突出问题有两个。

1）输入机笼中I/O电源板电源模块散热片温度过高。

2）逻辑部机笼中联锁CPU板PC104芯片温度过高。

3.2 解决方案

通过Icepak软件对联锁机柜进行热设计仿真，需要了解机柜中发热元件的温度情况，根据温度情况评估设计方案的合理性。实际仿真过程中考虑各种能够降低温度的措施，针对仿真结果确定哪些措施真正有效，哪些措施效果不明显。

根据本系统的结构与温度分布分析，具体措施应该考虑改善机柜风道和优化模块散热片。

3.2.1 风道改进

首先根据原始方案和各种整改方案分别建立仿真，对比仿真结果，确定有效风道整改方法如下。

1）去除机柜顶部的风扇安装备板。

2）将机柜顶部通风孔前移，且通风率优化为0.6。

3）机笼的上下盖板通风率优化为0.75。

4）机柜侧面的通风孔去除。

整改后结果如图1、2所示。由图1和图2比较可见，整改后气流明显流畅，且流速有增大，利于热量散出。

3.2.2 散热片的优化

I/O电源板电源模块散热片，是设计加工的铝质散热片，使用Icepak优化公式方法，并考虑实际加工与线路板的布局，得到最佳方案：散热片尺寸为1551×114×10.5，内部齿厚1 mm，齿间距均为1.6 mm，且为了增大散热面积，齿侧需加工凹槽。

PC104芯片散热片为外购标准件，可以优化部分较少，最后方案：联锁CPU板PC104芯片散热片底座尺寸由3 mm改为5 mm，散热片高度由7 mm改为15 mm，加大散热片的散热面积。

3.2.3 仿真结果

综合风道整改和散热片优化，整改的仿真结果如图3所示。

3.3 实际整改结果

根据仿真方案对真实设备进行整改，整改前后在相同的工作状态下，分别用热相仪拍摄实际线路板的温度分布。

因整改前后测量的环境温度相差约4℃，所以实际整改效果需考虑这个温度差。

整改结果如图4所示，联锁1系CPU板温度约17.6℃,考虑测试时环境温度的因素，实际约降低13.6℃。I/O电源板温度下降约24.3℃,考虑测试时环境温度的因素，实际约降低20.3℃。

4 小结

综上所述，本文通过对计算机联锁系统采用Icepak软件进行热设计仿真，并对散热片进行优化，充分体现了Icepak软件在热设计应用上的优越性。通过仿真结果及实际实验的验证情况对比，证明计算结果真实可靠,大大减小了热设计的难度，提高了工作效率，减少了设计反复，从而达到了缩短研制周期，降低成本的目的。

[1]陈洁茹，朱敏波，齐颖.Icepak在电子设备热设计中的应用[J]，电子机械工程，2005（1）：14-16