【技术邻】Icepak环境级热分析——户外产品工业设计

技术邻学院

来源：技术邻CAE学院
作者：赵西岭

一、前言

按照使用环境和总体尺寸，热分析可分为4个尺度级别：
(1)元件级：电子模块、散热器、芯片封装的热分析；
(2)板级：PCB板级的热分析；
(3)系统级：电子设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析；
(4)环境级：机房、外太空等环境级的热分析。工业设计实践中，外观颜色的确定是一项重要内容。户内产品，颜色主要由美观程度确定。
但对于户外产品，特别是暴露于阳光下的柜体(箱体)结构形式，由于会吸收太阳热辐射，为避免产品内部过高温升，颜色的选择大受限制。类似于柜体电源(或服务器、网络设备等)的散热必须同时考虑机房空间布置、机房空调冷量，户外产品的散热也受到周围建筑结构和日照强度的影响。
业界领先的热设计软件ICEPAK，可以指定待计算工况的发生时间、地理位置、阴晴天气暨产品的摆放朝向，自动将太阳热辐射代入计算流程，实现了在工业设计阶段即可相对准确的把握整机热流分布，进而为确定总体外观提供可靠的参考。

二、常规无内热源户外产品

如图1固定在型钢框架上的户外钣金箱体，内部无热源，宽600高800深160，重力方向为-Y，环境温度20度。
箱体表面状态为喷涂白色，为便于区别计算，前盖(图中着色面)表面状态取2种：喷涂白色和喷涂橘红。在ICEPAK内自建表面材料”喷涂橘红”如图2，依据行业规范辐射率取0.8，漫射分数取1，太阳直接热辐射载荷和漫辐射热载荷的吸收率均取0.74。
喷涂白色表面材料的辐射率和漫射分数不变，太阳直接热辐射载荷和漫辐射热载荷的吸收率均取0.1。太阳辐射的设置如图3，工况发生时间取8月1日早上7点，发生地为广州(时区GMT+8，北纬23度，东经112度)，X轴正向朝北(既前盖朝正东)。
晴天指数(sunshinefraction)取1。计算域6个面均为opening，箱体表面没有透明材料，scattering fraction取0。
前盖2种表面状态，前盖朝向正南或正东，发生时间早7点或中午12点，总共8种情况的前盖最高温度如表1，白色前盖、朝向东、早7点的前盖温度如图4。
可见橘红前盖的温升均高于白色前盖，而又由于橘红前盖对太阳热辐射的吸收率远大于白色，朝向正东时，早7点的温升高于中午12点。点击主菜单Report下的solar loads，可查看零件获得的太阳热载荷如图5。

三、户外光伏逆变器

上述分析，产品为箱体结构，除依靠外壳钣金件对流和辐射外，无额外的散热措施，颜色对整机温升确实起到决定性影响，这也是长期以来“户外电气柜用浅色”的理论依据。
但对于另一类户外产品，如散热器外置的光伏逆变器，尚需具体计算。如图6，箱体尺寸不变，背部增加一散热器，内部热源发热量1500W。
环境温度、箱体和前盖的表面状态、太阳辐射设置同前，散热器材料和表面状态均取软件默认值，8种工况的散热器和前盖的最高温度如表2。橘红前盖、朝向东、早7点的散热器和前盖的温度场如图7和图8。

图9为逆变器挂墙安装示意，计算域的MINZ和MIN Y边界为墙面，热学特性参考建筑行业规范辐射率取0.8，漫射分数取1，太阳直接热辐射载荷和漫辐射热载荷的吸收率均取0.8。
注意到MIN Z和MIN Y的面积之和远大于逆变器表面积，scattering fraction取0.2。橘红前盖、朝向东、早7点的散热器和前盖的温度场如图10和图11。散热器再搭配风扇使用的情况，本文不再赘述。

可见，橘红前盖的温升依然高于白色前盖，挂墙安装的温升高于框架安装，但因为使用了散热器，高出的幅度有限。此时，外观颜色的选择范围被大大的拓展了。其它类似结构产品，如户外充电桩，储能电池柜等，亦可用同样的分析方法。

四、关于scattering fraction的深度讨论

图3中的scattering fraction，是Icepak 2019的新增功能。帮助中解释的较为简略：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中解释如下：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，即进入计算域的太阳热辐射经内部反射后存留于内部的比例越高，此参数值越大。
开了小窗的不透明箱体，此值接近1。外表面高度glazed的空间。此值取小。在Fluent中只能用命令行输入。
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