电子设备热分析技术及软件应用

肖果果

摘 要：加强对电子设备热分析技术的研究，能够实现对设备的有效热控制，从而保障其使用性能和寿命。文中论述了热分析技术的两种方法，即解析法和数值法的解题思路和步骤，并对热分析软件在电子设备设计中的运用进行了研究探索，结合设备级热分析结果进行了验证，达到了较高的精度，满足工程需求。

关键词：电子设备；热分析；解析法；数值法；热模型

1.电子设备热分析的理论

电子设备的散热主要有三种方式，分别为对流散热、辐射散热和导热，对流散热是利用元器件表面和周围接触，由于存在温度的差距而进行的热量交换，实际的散热有自然对流和强迫对流两种，自然对流也叫被动散热，通常不采用风扇灯散热措施，利用电子元器件工作时产生的热量与周围自然存在的温差进行热交换。强迫散热也叫主动散热，利用风扇、水冷等方式，人为的增加电子元器件和周围之间的温差，根据牛顿冷却方程qn=h（Tw-Tf），其中h为换热系数，Tw为电子元器件表面的温度，Tf为周围流体的温度。导热理论是建立在傅立叶定律的基础上，其数学表达式为qn=λdT/dx，λ为电子元器件材料的导热系数，qn为热流密度。

2.数值法解题思路和步骤

用有限体积法求解热分析问题。他们的思维方法，主要分为四个阶段的电子设备来解决分析温度场的分布的网格技术能解决区域离散，首先，对多个微元体，然后指导下的三个能量守恒定律，分别建立了适用于每一个无穷小的身体积分方程，这些方程根据空间和时间是离散的情况，最终获得电子设备解决方案的温度场分布。电子器件热分析的数值方法不简单，包括建模、输入参数、划分网格和后处理等几个步骤。根据热分析的必要性相关电子设备热分析模型的建立首先，然后输入所需的参数（如材料参数、设备能耗和环境温度和发射率，等等），这些参数分为网格和计算，计算精度和多少百分比的啮合关系。最后，根据温度场分布描述的动画、图形或报告的形式，根据热分析的结果，选择有效的信息来指导您的设计。过程的热分析、建模、输入参数是关键是最大的一个工作负载的一部分，只有建模的精度和正确的输入参数随后的分析和计算，所以必须基于对象的分析建立良好的热分析模型，并获得准确的边界条件。在实际应用程序中，复杂的各种电子设备的结构和性能参数决定了边界条件输入阶段可能存在错误，所以必须确保准确的参数以达到精确建模过程中，可以使用各种手段和方式来减少错误。

3.热分析模型的建立

Icepak解决这一问题的一般过程是：设置初始参数，建立计算模型，划分网格，求解问题，并显示结果。黑体的目标是实际物体的辐射辐射和相同的温度黑体比。材料的发射率、表面温度和表面氧化程度。通过对被测物体发射率的测试，结果表明，物体的氧化程度越高，黑度越高。因此，为了提高物体的黑度，在表面采取黑氧化处理。在建模中，由于主体的外表面是多面体，内部是一个圆形通道，在主体的顶部和前部有矩形通道，为了方便在主体中开口，采用12边形代替圆。在实体开放应注意以下两点：（1）如果你想打开一个多边形或气缸中的矩形孔，开口直接使用不能实现，必须使用挡块式流体，并可以实现；（2）在矩形孔打开多边形或多面体，必须使用挡液，还用一个开口的实现。

4.应用实例

一个电子设备的热分析与Icepak软件为例进行的，和热分析的结果与实际测量值的比较。电子设备中大功率耗散的主要模块3功率放大器模块，以低于113w总功耗。所需的设备应限于2U高19英寸的盒子，和可用的尺寸不得超过：38×38×8立方厘米（长*宽*高）。机柜的上部是空的，高3cm，用来安装模块、主体、高5cm会计，占2厘米高的热导率、高散热齿占3cm，齿宽5mm，间隔5mm，统一安排自然冷却机。原始模型的基本参数如下：机箱的散热材料是铝合金5A05，功率放大器的输出功率113w，允许极限温度是65度。模型的结构图如图4所示。根据上述模块，预布局和散热壳体参数，使用冰pak4.0热分析软件，热分布模拟分析的连续运行，得到了在不同环境温度条件下的热分布如图5所示，图6所示。热分析结果测量的同一温度的结果具体见表1。热模拟结果与实际温度基本吻合，误差分别为6.69%和10.04%，基本满足工程设计要求。这些误差可能是由于边界条件的不精确和功率参数的误差引起的，不影响电子设备的热分析设计。

5.计算结果

在求解计算模型之前，需要对迭代步骤和收敛准则进行设定。Icepak软件在流动和传热问题上，求解三个控制方程，即连续方程、质量守恒方程、动量守恒方程（速度）和能量守恒方程（温度）。如果在计算方程的过程中发现其中的任何一个都不是收敛的，那么我们就需要解决，来检查网格模型和视图是否错误，在修改后求解，直到迭代收敛。图2为原始模型在自然对流散热中的温度分布。

计算结果表明，组件的最高温度（164.34℃）超过了设计要求的最大允许温度（112℃），这需要冷却措施。简单有效的措施包括：增加散热器；增加风机，强制對流换热。为了降低部件的噪声和维护，提高系统的可靠性，首先采用加热炉的方法；如果不能满足要求，增加风扇，练习强制对流。在热耗散的情况下，可以对翅片的位置、翅片厚度、肋间隙和底板的尺寸进行优化，并在Icepak中反复计算和比较结果。Icepak本身提供了“参数化分析”，即利用其试验的功能，将某些参数设定为变量的散热器，分配一系列值，Icepak将在不同厚度值的同时计算不同的模型结果。这样可以节省时间，减少麻烦。重复优化后的结果表明，在四个外表面的主体（如图3所示）的散热器，其具体尺寸为：2毫米，鳍厚2毫米，6.5毫米肋距，鳍高32毫米更合适。同时，为了增加肋骨的数量，减少肋骨之间的间距是不好的。

结论

电子设备的热分析技术通过模拟设备内部的温度分布来提高设备的热控制，从而保证了设备的使用性能和寿命，缩短了开发周期。本文从热分析软件的几个环节入手，从热分析软件的几个环节入手，对电子设备的热分析技术进行了深入的探索和应用，为加强热控制提供了帮助。

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