某電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)分析與工程設(shè)計(jì)

楊少華 董吉印 劉兵

【摘要】隨著電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，雷達(dá)等電子設(shè)備集成度的不斷提高，熱設(shè)計(jì)成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要部分。本文通過對某電子設(shè)備的熱分析及熱計(jì)算，進(jìn)而對該雷達(dá)進(jìn)行了總體熱設(shè)計(jì)理論校核分析，并通過高低溫及外場試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】熱設(shè)計(jì);自然散熱;自然對流和熱輻射

1.前言

熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一，是保證整機(jī)性能、提高整機(jī)可靠性的重要因素。本文為了保證某電子產(chǎn)品在指標(biāo)要求的溫度下可靠的工作，根據(jù)其耗散功率，元器件集中程度，元器件溫升以及環(huán)境溫度要求、可靠性指標(biāo)等進(jìn)行分析，選擇合適的散熱手段。

2.散熱方式的選擇

本文研究對象的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 某電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖

其特征尺寸為：V=53×40×30=63600㎝3

則：體積熱流密度q（體積發(fā)熱系數(shù)）為：

q=P/V=280/63600=0.0044（W/㎝3）

圖2 體積發(fā)熱功率系數(shù)

圖3 行波管安裝示意

由圖2所示的各種冷卻方式的冷卻能力范圍看，該設(shè)備的熱流密度q為0.0044W/㎝3小于自然散熱方式的能力限值（0.009 W/㎝3），采用自然散熱的方式是可行的，為可靠起見，盡量采用金屬導(dǎo)熱的形式對主要發(fā)熱部件如行波管等進(jìn)行冷卻，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鑄件艙體外增加了加強(qiáng)筋，在提高了整個鑄件剛度、強(qiáng)度的同時(shí)增大散熱面積;在行波管的安裝處設(shè)計(jì)了鋁合金導(dǎo)熱風(fēng)道，安裝了風(fēng)機(jī)，行波管緊貼風(fēng)道安裝，涂導(dǎo)熱膏，風(fēng)道緊貼艙體側(cè)壁安裝，均保證壓力在20㎏/㎝2左右，如圖3所示。這樣行波管散出的熱量通過鋁合金風(fēng)道一部分傳導(dǎo)到艙壁，一部分被及時(shí)帶走，在艙體內(nèi)部形成循環(huán)，使艙體內(nèi)部溫度均勻，機(jī)箱內(nèi)表面氧化成黑色，熱量通過金屬傳導(dǎo)到外表面，使艙壁各面均參與換熱，從而達(dá)到降溫的目的。

3.熱設(shè)計(jì)校核計(jì)算

該電子設(shè)備的總功率約為280W，其中主要發(fā)熱體為行波管，根據(jù)行波管的工作效率情況，我們按照其中80%的功率產(chǎn)生熱量來計(jì)算散熱。即需散去的熱量為：

Q總=280×80%=224W。

自然散熱的方式主要是通過兩種途徑，自然對流和熱輻射。

通過自然散熱散去的總熱量為：Q總=Qc+Qr

其中：Q c為自然對流散去的熱量;Qr為熱輻射散去的熱量。

機(jī)箱內(nèi)允許達(dá)到的最高溫度為：+70℃;外界環(huán)境溫度?。?50℃

先計(jì)算自然對流散去的熱量Q c：

Q C=αSΔt ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?①

式中：α為對流放熱系數(shù);S為表面積;Δt為機(jī)箱表面與外界環(huán)境的溫度差。

②

式中：為努謝爾特?cái)?shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù);L為特征尺寸。

根據(jù)自然對流換熱的通用準(zhǔn)則方程：

③

式中：Ra=Gr·Pr為雷萊數(shù);Gr為葛拉曉芙數(shù);Pr為普朗特?cái)?shù);C為系數(shù);n為指數(shù)（層流時(shí)取，紊流時(shí)）。

其中：Gr=;β為體積膨脹系數(shù);v為運(yùn)動粘度。

定性溫度為：

tm=（70+60）/2=60℃;

特征尺寸取側(cè)壁高：

L=0.3m;

β=;

查表得：

Pr=0.696;

λ=2.90×10-2W/m℃;

v=18.97×10-6m2/s

則：葛拉曉芙數(shù)：

Gr=

雷萊數(shù)：Ra= Pr·Gr=0.696×4.42×107=3.07×107<109

由此可知各側(cè)面屬于層流換熱;但在頂面上有2×107

圖4 加強(qiáng)散熱筋結(jié)構(gòu)形式

現(xiàn)將各換熱面參數(shù)及可散去熱量根據(jù)查表及式①、式②、式③計(jì)算后列表如表1所示：

表1

由表1可得：通過自然對流散去的熱量QC為：

QC=36.12+16.93+7.21+29.68=89.94（W）

再計(jì)算熱輻射散去的熱量Q r：

Qr=5.67S

式中：S為表面積;T1為艙體表面溫度;T2為周圍環(huán)境溫度;ε為系統(tǒng)黑度系數(shù)（雷達(dá)外表面涂綠色防護(hù)漆：ε取0.9）。

S=0.426+0.284+0.284+0.35=1.344㎡

則：Qr=5.67×1.344×（3.434-3.234）×0.9=202.79W

通過自然散熱可散去的總能量為：

Q總=Qc+Qr

Q總=89.94+ 202.79=292.73W>224W

4.結(jié)論

通過以上校核計(jì)算可以看出通過自然散熱散去的熱量大于艙體產(chǎn)生的熱量，可見按其結(jié)構(gòu)形式和功能參數(shù)在上述熱設(shè)計(jì)措施的條件下，采用自然散熱的熱設(shè)計(jì)是可以滿足該電子設(shè)備的環(huán)境和溫升要求。該設(shè)備在經(jīng)過12小時(shí)連續(xù)試驗(yàn)及高低溫循環(huán)實(shí)驗(yàn)后設(shè)備工作正常;在外場試驗(yàn)中，外界環(huán)境溫度45℃左右，連續(xù)工作8小時(shí)以上，設(shè)備工作正常，設(shè)備內(nèi)部溫升滿足指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]趙惇殳等.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（第一冊）[M].江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1986.