Icepak热分析新助力：户外产品工业设计的智能升级

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来决定。

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(sunshine fraction)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MIN Z和MIN Y边界为wall，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。

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