基于Ansys Icepak的密闭液冷机箱热仿真分析

张敬莹 贺勇

（电科院 北京市 100041）

随着现代集成电路及以小型芯片为主的微电子机械系统在汽车、工业、信息、电子消费等领域越来越广泛的应用。大功率、小型化、组件高度集中化的趋势应用越来越广泛，其中设备散热能力已成为决定设备可靠性及其稳定性的重要因素。电子产品散热问题目前已成为国内外机械电子领域热设计技术研究重点之一[1]。

在保证电子产品满足机械应力和外界各种复杂物理环境的前提下，还应充分利用对流散热、传导散热、辐射散热等方式来保证机械电子产品的散热，最大程度地把电子产品产生的热散发出去。

当代军用电子装备使用环境极度复杂、恶劣而且性能指标要求的越来越高。这使得对电子装备的结构强度，大功率元器件分布也提出了更高要求。对军用电子产品进行热仿真分析已成为电子装备研制过程中不能缺少的关键性技术，本文以一机箱类电子产品为例，对其进行热仿真分析、最高温度分布情况分析及速度矢量仿真，可制导机箱类电子产品的热设计，并能尽量降低热阻，使散热速度加快，降低箱体内部温升，提高设备的可靠性等方面起到指导作用。

1 机箱的构成

以某一机载通用处理机箱为例，机箱采用插板式结构形式，机箱壳体及液冷管道采用铝合金6063材料的板材由螺钉固联。结构示意图参见图1。

机箱散热方式采用液冷散热，PCB板在工作时芯片产生热量，热量通过PCB板封装的壳体传导到导热冷板，冷却液流经上下冷板将热量传导到机箱壳体外。

2 机箱热设计分析计算

2.1 机箱结构设计

机箱使用的环境温度为71℃；模块上元器件最高允许工作温度：90℃；机箱采用液冷的散热方式；液冷液温度：30℃；液冷液流速：1.89m/s；机箱材料：Aluminum 6063-T5。每个通用处理机箱安装16个1in宽6U高的VITA模块，每个模块发热量150W，机箱总发热量为2.4KW。

2.2 机箱冷却方式设计

对于本文中的模块化机箱总发热量为2.4KW，发热部件为机箱内板卡上的电子元器件，每个模块的功耗为150W，体积小，热耗大。

单个模块热稳态下散热表面的热流密度为：

式中，A为模块的总散热面积，其单位为cm2，经计算可得A=296.1cm2。热稳态下机箱散热表面的热流密度可计算如下：

考虑到机箱内装有16个模块，机箱使用的环境温度为71℃；模块上元器件最高允许工作温度为90℃；其机箱内部温升应控制在21℃以内，若采用空气冷却散热效率会大大减低，故采用液冷散热，增加散热效率。

3 机箱的液冷散热的仿真计算

3.1 热模型的建立

图1：模块化机箱结构示意图

图2：机箱简化模型

图3：模型的传输

完整的Catia模型很复杂，有各种倒角、螺栓等细节，并且完整的机箱模型很大，出于对计算机计算能力的考虑，选择对一个机箱进行热分析。因为完整模型中三个机箱的边界条件都相同，所以只针对一个模型进行分析也是可以得到其温度分布规律。

模型的简化在Workbench平台下的DM模块中进行，可以通过DM中对电子设备专用的简化工具Simplify来进行简化。

按照此种转化方法将模块化机箱简化后得到热仿真分析模型，如图2所示。

3.2 设置仿真参数

将简化后的模型通过Ansys Workbench导入到Ansys Icepak软件中，连接方式如图3所示。

在Icepak中进行材料参数的设置，材料分为结构材料、流体材料，导热硅脂以及PCB材料，在DM中已经将模块中的印刷电路板识别为Icepak特色的PCB板，可以对其进行PCB板功耗，材料的设置，能够比较精确的模拟PCB实际散热情况。流体材料为水，流道的进口温度为30℃；液冷液流速：1.89m/s；环境温度：71℃；机箱的总功耗则为2.4KW，机箱插槽与导轨之间的接触热阻可设置为0.6℃/W。在基本设置中设置为求解流体的流速、压力和温度值。因是强迫液冷，辐射散热可忽略不计，所以关闭辐射计算。液体雷诺数和迪利客来数为分别为5049.57和3577.65，所以为湍流模式。

设置迭代步数为200步，以便于让其充分收敛，然后对模型就行热仿真求解。模型的速度曲线、能量曲线、连续性曲线均以收敛。

3.3 热仿真分析计算结果

在环境温度为71℃时，可根据初始条件求解得到机箱达到热稳态情况下，机箱的最高温度为68℃，产生最高温度的位置在PCB板的发热模块附近，模块上热分布情况如图4所示。

提取分析结果，流道中液冷液温度分布参见图5，最高温度11度。

图4：PCB板上热分布情况

图5：流道内液冷液温度分布

4 结论

经过对模块化机箱内部发热模块的功率进行热仿真分析，可以确定机箱采用何种散热方式、同时通过计算强迫液冷散热的条件下机箱箱体内的热流密度，并运用Ansys Icepak热仿真软件对模块化机箱进行热仿真分析，并根据计算得到的结果可知模块化机箱在达到热平衡状态时的温度分布和各发热模块表面的最高温度值。经过理论分析和仿真分析，可得到结论如下：

在强迫液冷散热条件下，环境温度为68℃时，密闭机箱的热量主要是由发热PCB板传导到散热板，再由散热板通过导热硅脂将热量传递给机箱的上下冷板，最后由强迫液冷的方式将热量带出机箱。模块上最高温度为68℃，符合模块上要求的最高工作温度，满足使用要求。通过对热仿真结果分析提出了针对热设计的结构优化措施，使机箱产品达到了布局合理，具有良好的对流散热性能。将机箱热分析技术应用到电子装备的研制中，将解决电子装备热功耗过大，缩短研制周期，提高研制精度。并且，可以充分利用平台的有限资源，提高装备的性能和可靠性。