Icepak環境級熱分析——戶外產品工業設計

來源：技術鄰CAE學院

作者：趙西嶺

一、前言

按照使用環境和總體尺寸，熱分析可分為4個尺度級別：

(1)元件級：電子模塊、散熱器、晶片封裝的熱分析；

(2)板級：PCB板級的熱分析；

(3)系統級：電子設備機箱、機櫃以及方艙等系統級的熱分析；

(4)環境級：機房、外太空等環境級的熱分析。工業設計實踐中，外觀顏色的確定是一項重要內容。戶內產品，顏色主要由美觀程度確定。

但對於戶外產品，特別是暴露於陽光下的櫃體(箱體)結構形式，由於會吸收太陽熱輻射，為避免產品內部過高溫升，顏色的選擇大受限制。類似於櫃體電源(或伺服器、網絡設備等)的散熱必須同時考慮機房空間布置、機房空調冷量，戶外產品的散熱也受到周圍建築結構和日照強度的影響。

業界領先的熱設計軟體ICEPAK，可以指定待計算工況的發生時間、地理位置、陰晴天氣暨產品的擺放朝向，自動將太陽熱輻射代入計算流程，實現了在工業設計階段即可相對準確的把握整機熱流分布，進而為確定總體外觀提供可靠的參考。

二、常規無內熱源戶外產品

如圖1固定在型鋼框架上的戶外鈑金箱體，內部無熱源，寬600高800深160，重力方向為-Y，環境溫度20度。

箱體表面狀態為噴塗白色，為便於區別計算，前蓋(圖中著色面)表面狀態取2種：噴塗白色和噴塗橘紅。在ICEPAK內自建表面材料」噴塗橘紅」如圖2，依據行業規範輻射率取0.8，漫射分數取1，太陽直接熱輻射載荷和漫輻射熱載荷的吸收率均取0.74。

噴塗白色表面材料的輻射率和漫射分數不變，太陽直接熱輻射載荷和漫輻射熱載荷的吸收率均取0.1。太陽輻射的設置如圖3，工況發生時間取8月1日早上7點，發生地為廣州(時區GMT+8，北緯23度，東經112度)，X軸正向朝北(既前蓋朝正東)。

晴天指數(sunshinefraction)取1。計算域6個面均為opening，箱體表面沒有透明材料，scattering fraction取0。

前蓋2種表面狀態，前蓋朝向正南或正東，發生時間早7點或中午12點，總共8種情況的前蓋最高溫度如表1，白色前蓋、朝向東、早7點的前蓋溫度如圖4。

可見橘紅前蓋的溫升均高於白色前蓋，而又由於橘紅前蓋對太陽熱輻射的吸收率遠大於白色，朝向正東時，早7點的溫升高於中午12點。點擊主菜單Report下的solar loads，可查看零件獲得的太陽熱載荷如圖5。

三、戶外光伏逆變器

上述分析，產品為箱體結構，除依靠外殼鈑金件對流和輻射外，無額外的散熱措施，顏色對整機溫升確實起到決定性影響，這也是長期以來「戶外電氣櫃用淺色」的理論依據。

但對於另一類戶外產品，如散熱器外置的光伏逆變器，尚需具體計算。如圖6，箱體尺寸不變，背部增加一散熱器，內部熱源發熱量1500W。

環境溫度、箱體和前蓋的表面狀態、太陽輻射設置同前，散熱器材料和表面狀態均取軟體默認值，8種工況的散熱器和前蓋的最高溫度如表2。橘紅前蓋、朝向東、早7點的散熱器和前蓋的溫度場如圖7和圖8。

圖9為逆變器掛牆安裝示意，計算域的MINZ和MIN Y邊界為牆面，熱學特性參考建築行業規範輻射率取0.8，漫射分數取1，太陽直接熱輻射載荷和漫輻射熱載荷的吸收率均取0.8。

注意到MIN Z和MIN Y的面積之和遠大於逆變器表面積，scattering fraction取0.2。橘紅前蓋、朝向東、早7點的散熱器和前蓋的溫度場如圖10和圖11。散熱器再搭配風扇使用的情況，本文不再贅述。

可見，橘紅前蓋的溫升依然高於白色前蓋，掛牆安裝的溫升高於框架安裝，但因為使用了散熱器，高出的幅度有限。此時，外觀顏色的選擇範圍被大大的拓展了。其它類似結構產品，如戶外充電樁，儲能電池櫃等，亦可用同樣的分析方法。

四、關於scattering fraction的深度討論

圖3中的scattering fraction，是Icepak 2019的新增功能。幫助中解釋的較為簡略：The scattering fraction specifies the amount of direct solar radiation that is reflected from opaque objects in your model. The reflected radiation is evenly distributed among all objects that participate in solar loading. The value should be between 0 and 1.

但在Fluent中解釋如下：The scattering fraction defines the amount of non-absorbed radiation that will be distributed (uniformly) across all participating surfaces. This is required as the solar load model does not track the rays beyond the first opaque surface. Therefore, a highly glazed space where incident radiation is likely to be reflected back out will have a low value. Conversely, a predominantly opaque (wall-bounded) space where reflected radiation is likely to be incident upon (and ultimately absorbed by) other opaque surfaces will have a high value. This parameter is defined through the text interface only, taking a default value of 1.0，即進入計算域的太陽熱輻射經內部反射後存留於內部的比例越高，此參數值越大。

開了小窗的不透明箱體，此值接近1。外表面高度glazed的空間。此值取小。在Fluent中只能用命令行輸入。