1    引言

        随着科技的不断进步，电子技术在军用和民用的各个领域中得到了广泛的应用，电子设备正向集成化、小型化发展，系统的集成度空前提高。电子设备的主要失效形式是热失效，半导体元件的温度升高10℃，可靠性降低50%；电子设备温度每降低1℃，其失效率将下降4%，因此，设计一个热可靠性高的产品显得越来越重要。但真实的电子设备散热环境是非常复杂的，单纯依靠传统理论的手动计算或经验估计，已经无法满足产品研发的需求。随着计算流体动力学的快速发展，在设计阶段，可借助成熟的CFD技术对产品进行数值模拟和准确评估与分析，合理改善电子产品的内部热环境，从而可以提高其热可靠性。作为面向工程师的电子产品热分析软件-ICEPAK，由于软件内置大量的电子产品模型，建模功能丰富，网格划分简单，具有能与多种CAD软件兼容等优点，已经成为几个主要的热分析软件之一。很多研究者在不同冷却形式下，应用ICEPAK对不同的电子产品的散热方式进行了仿真分析。本文主要针对某公司现有产品在自然对流的情况下散热效果不好，产品温度过高的问题，设计了2种风扇散热方案，并利用CFD软件ICEPAK对2种散热方案进行了数值模拟分析，得到了2种散热方案的散热效果图。为公司改进产品设计，采用新的散热方案提供了理论依据。

2    模型的确定及分析

        本文所研究的注塑机控制器内部的元器件皆是标准尺寸的元件，具体的尺寸大小通过测量得到。机箱内部结构复杂，除了主要元件，如CPU、散热翅片、PCB板、南桥芯片及其传热铜块、电源分配板、显示器电路板、触摸屏电路板、电源等之外，还有很多芯片、输电线、数据线以及各种电路连接线，因此建立其精确的模型比较困难，必须对其进行一定的简化。对于机箱内的一些不发热元器件或者发热比较少的元器件，如一些小型的芯片，电源、触摸屏电路板、翅片倒角圆角等可以忽略不计。热源CPU和南桥与散热翅片之间由传热铜块连接，由传热铜块把热量带到散热翅片再散发到空气中去。

3    ICEPAK计算分析

        根据元件尺寸及模型简化方案，在ICEPAK软件中建立好分析模型，cabinet四周和上面采用opening元素进行建模，下面采用wall建模。设置足够大的空气流动区域以保证空气对流换热。散热翅片采用Block建模并设置好导热系数，然后分别设置好边界条件和材料属性、导热率、环境温度、重力方向、压力大小等。根据系统给出的瑞利数(自然对流)及雷诺数(强迫对流)，选择湍流模式。然后划分网格，首先采用粗糙模式划分，然后进一步细化重要元件和温度梯度变化大的区域的网格。经过检查网格facealignment为0.233大于0.15，证明网格质量不错。最后进行尝试计算，根据几次计算过程经验，设置迭代次数为120次，迭代到120次时，从收敛曲线可以看出，各个收敛数值都已低于10-3，相邻2次迭代点之间变化很少，结果表明已经达到收敛了。

        公司目前采用这种结构散热，由于温度过高，实际运用中最高温度可到90.233℃。严重影响了产品的寿命。可以看到最高温度为CPU部分，最高温度为90.233℃。也就是现有产品的温度情况，在极限条件环境温度为35℃，功率CPU分析功率设置为15W，南桥芯片分析功率设置为10W时，CPU的中心温度比较高。散热效果很差。

4    风扇散热方案

        根据前面的分析，我们可以看出这一产品面临着温度过高问题，为此设计了2种风扇散热方案。

        方案1：调整散热翅片和热源CPU及南桥芯片的位置，采用风扇侧面安装方式，风扇对面一侧开孔，形成风道。热量主要传递路线为：热源(CPU和南桥)→铝底板→翅片→内部空气→散热孔→机箱外部空气

        方案2：采用风扇上面安装方式，风扇正对着热源CPU和南桥芯片吹风，机箱两侧面开散热孔。热量主要传递路线为：热源(CPU和南桥)→铝底板→翅片→内部空气→机箱两侧散热孔→机箱外部空气。

        按照前面ICEPAK的计算思路，分别对这两种风扇散热方案进行建模计算，得到其温度云图和空气粒子流动图。

        通过仿真模拟对比新设计的2种风扇散热方案的散热效果，我们可以看出2种方案散热效果都很好，最高温度都为60℃左右，比公司原有产品的散热方案都降低30℃左右。相比之下，风扇侧装散热方案具有散热效果更好(最高温度58.4℃)、只需一个侧面开散热孔、有具体的风道路径、加工工艺更简单等优点，最后被公司采纳作为新的散热方案。

5    结论

        本文在特定环境下，对注塑机控制器原散热方案和新设计的2种风扇散热方案进行了数值模拟分析，通过对散热方案的设计和分析，得出结论如下:

        (1)安装风扇的强迫对流散热的效果大大优于仅仅靠散热翅片的自然对流散热的效果。在本项目中，安装风扇散热效果比之前的自然对流散热的最高温度降低了30℃左右。

        (2)在同样的风扇强迫对流散热条件下，风扇的安装位置及风道的设计都影响其散热效果，合理设计散热风道可以有效地提高散热效果。

        (3)通过这次优化分析，为某公司下一步改进产品的散热效果提供了相关依据。也运用ICEPAK软件在电子设备的仿真模拟中做了一次尝试。