抗惡劣環(huán)境換熱裝置的研究與設(shè)計(jì)*

王 凱 王連坡

(1.北京世紀(jì)瑞爾技術(shù)股份有限公司 北京 100000)(2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

抗惡劣環(huán)境換熱裝置的研究與設(shè)計(jì)*

王 凱1王連坡2

(1.北京世紀(jì)瑞爾技術(shù)股份有限公司 北京 100000)(2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007)

介紹了電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的基本要求、目的、傳熱的基本原則及熱量傳遞的基本方式。詳細(xì)介紹了抗惡劣環(huán)境換熱裝置的工作原理、設(shè)計(jì)方案,并與強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式進(jìn)行對(duì)比,得出抗惡劣環(huán)境換熱裝置的優(yōu)越性。

傳熱學(xué); 熱控制; 換熱裝置; 強(qiáng)迫風(fēng)冷

Class Number TK33

1 引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了保證元器件和設(shè)備的熱可靠性以及對(duì)溫度壓力變化的惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力,電子元器件和設(shè)備的熱控制技術(shù)得到了普遍的重視和發(fā)展。研究表明,芯片級(jí)的熱流密度高達(dá)100W/cm2[1],如此高的熱流密度,若不采取合理的熱控制技術(shù),必將嚴(yán)重影響電子元器件和設(shè)備的熱可靠性,從而導(dǎo)致元器件或設(shè)備的熱失效。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,元器件的失效率隨溫度的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。環(huán)境溫度每增長(zhǎng)10℃,電子設(shè)備的失效率增大一倍以上[2],如果缺乏良好的熱設(shè)計(jì)和冷卻措施,使環(huán)境溫度超過了元器件的額定工作溫度范圍,就會(huì)造成元器件工作狀態(tài)不穩(wěn)定或者失效。傳統(tǒng)的機(jī)箱、機(jī)柜,為了保持穩(wěn)定的工作溫度,大部分都是僅在機(jī)箱、機(jī)柜中裝設(shè)普通的風(fēng)機(jī)和散熱器。但這種散熱方式,無法適應(yīng)一些惡劣的環(huán)境,如阻止外部環(huán)境的潮濕空氣、砂塵、鹽霧等侵入設(shè)備內(nèi)部,也無法保證設(shè)備的電磁兼容性能,進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)行,并且給維修及更換上帶來了諸多不便。

熱控制的基本任務(wù)就是保證熱量能夠迅速地傳遞到周圍環(huán)境中,即在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻的通道。針對(duì)艦載及戶外應(yīng)用的通訊、電力等設(shè)備工作的惡劣環(huán)境,由于空氣腐蝕的存在,散熱裝置不能將環(huán)境中的空氣與設(shè)備進(jìn)行直接對(duì)流散熱,本文主要研究并設(shè)計(jì)一種密閉型的散熱裝置,既可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備散熱,又保證了設(shè)備不直接和空氣進(jìn)行對(duì)流散熱。

2 熱控制的基本要求

2.1 熱控制應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求

一般電子設(shè)備內(nèi)部存在著大量的發(fā)熱元器件,使得設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度升高。高溫對(duì)大多數(shù)電子元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,它會(huì)導(dǎo)致元器件的失效,進(jìn)而引起整個(gè)設(shè)備的失效。通過熱控制的設(shè)計(jì),采取使發(fā)熱元器件散熱冷卻的措施來降低設(shè)備的溫升,從而保證設(shè)備的可靠性。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意考慮以下原則:

1) 熱控制方案要滿足元器件降額應(yīng)用對(duì)設(shè)備內(nèi)部溫度的要求。因此,一般電子設(shè)備的機(jī)內(nèi)溫度應(yīng)設(shè)法控制在45℃～65℃范圍以內(nèi),對(duì)功率密度大一些的設(shè)備也不應(yīng)超過50℃～70℃范圍;

2) 整機(jī)的散熱冷卻方案應(yīng)與設(shè)備的功率密度大小相適應(yīng)。一般原則是當(dāng)功率密度低于12.2kW/m3時(shí),可選擇自然冷卻方案;當(dāng)功率密度超過12.2kW/m3時(shí),應(yīng)選擇強(qiáng)迫空氣冷卻技術(shù);當(dāng)功率密度超過43kW/m3時(shí),則應(yīng)選擇水冷方案[3];

3) 對(duì)發(fā)熱元器件采取散熱措施時(shí),要滿足其對(duì)熱阻的要求。一般原則是若發(fā)熱元器件對(duì)熱阻的要求大于30℃/W時(shí),可不必采取散熱措施;當(dāng)對(duì)熱阻的要求在2℃～30℃/W時(shí),可采取散熱器散熱;當(dāng)對(duì)熱阻的要求在0.05℃～2℃/W時(shí),則應(yīng)采取軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱等;

4) 對(duì)設(shè)備內(nèi)部的部件應(yīng)合理布局:一般原則是發(fā)熱量小或無源器件應(yīng)放在設(shè)備的底部;發(fā)熱量大、寬溫的部件應(yīng)放在設(shè)備的頂部,元器件與設(shè)備之間的距離最好大于35mm～40mm,以利于空氣自然對(duì)流來散熱。另外,對(duì)一些熱敏感器件應(yīng)該盡量避開熱源,必要時(shí)可增加熱屏蔽罩。

2.2 熱控制應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求

電子設(shè)備的熱環(huán)境包括:

1) 環(huán)境溫度和壓力(或高度)的極限值;

2) 環(huán)境溫度和壓力(或高度)的變化率;

3) 太陽(yáng)或周圍物體的輻射熱;

4) 可利用的熱沉(包括:種類、溫度、壓力和濕度);

5) 冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降(對(duì)由其他系統(tǒng)或設(shè)備提供冷卻劑進(jìn)行冷卻的設(shè)備而言)。

2.3 熱控制應(yīng)滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求

對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制主要包括對(duì)使用的電源(交流、直流及功率容量)的限制、對(duì)振動(dòng)和噪聲的限制、對(duì)冷卻劑進(jìn)出口溫度的限制及結(jié)構(gòu)(安裝條件、密封、體積和重量等)的限制。

3 熱控制的理論基礎(chǔ)

熱量從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)通常有以下三種形式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射[4]。

3.1 熱傳導(dǎo)

氣體導(dǎo)熱是分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果,固體導(dǎo)熱靠自由電子的運(yùn)動(dòng)完成,對(duì)于液體主要是由于彈性波的作用。熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律,其計(jì)算公式[5]為

3.2 對(duì)流

對(duì)流是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過程。對(duì)流換熱可用牛頓冷卻公式計(jì)算:

φ=hcA(tw-tf)

式中:φ為熱流量,W;hc為對(duì)流換熱系數(shù),W/(m·℃);A為對(duì)流換熱面積,m2;tw為熱表面溫度,℃;tf為冷卻流體溫度,℃。

3.3 熱輻射

物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為熱輻射。熱輻射是輻射能和熱能的相互轉(zhuǎn)換過程,物體的輻射可用斯蒂芬-波爾茲曼定律表示:

φ=εAσ0T4

式中:φ為熱流量,W;ε為物體黑度;A為輻射表面積,m2;σ0為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)(5.67×10-8W/(m2·K4));T為物體表面的熱力學(xué)溫度,K。

4 換熱裝置設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)原理

在封閉的箱體內(nèi)通過安裝熱管散熱器,將箱體分為內(nèi)外兩個(gè)環(huán)境,箱體內(nèi)外環(huán)境通過風(fēng)扇將熱管傳遞的熱量排出,風(fēng)扇的進(jìn)出口處安裝了截止波導(dǎo)或金屬絲網(wǎng)防止電磁泄漏。同時(shí),箱體與熱管、箱體與蓋板之間均嵌入了既能防水又能防電磁泄漏的耐腐蝕性共擠導(dǎo)電橡膠條。

4.2 設(shè)計(jì)方案

4.2.1 設(shè)備組成

抗惡劣環(huán)境換熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示?？箰毫迎h(huán)境換熱裝置的組成部分有:箱體1、截止波導(dǎo)2、風(fēng)扇3、導(dǎo)電橡膠條4、熱交換器5、蓋板6、金屬絲網(wǎng)7、風(fēng)扇8等組成。其中,熱交換器由安裝板9、硅膠板10、熱管11、散熱片12、密封條13,安裝螺釘14等構(gòu)成。箱體1為機(jī)械銑削加工成型或鑄造成型,在其底部和背部均開制有M10的螺紋孔,方便與被散熱的設(shè)備進(jìn)行連接,同時(shí),在箱體1的頂部預(yù)留了導(dǎo)電橡膠條的安裝槽,蓋板6與箱體1接觸面為導(dǎo)電氧化處理,保證兩者之間連接后能夠達(dá)到導(dǎo)電連續(xù)性的效果。

4.2.2 工作原理

圖1 抗惡劣環(huán)境換熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖

抗惡劣環(huán)境換熱裝置可作為獨(dú)立的裝置安裝在設(shè)備的背部。在該裝置中,熱交換器將散熱裝置分成內(nèi)外兩個(gè)獨(dú)立腔體,其中處于內(nèi)環(huán)境中的熱管一端為蒸發(fā)端,外環(huán)境一端為冷凝端。被散熱設(shè)備產(chǎn)生的熱量將設(shè)備內(nèi)部的空氣加熱,熱空氣再經(jīng)過內(nèi)環(huán)境中風(fēng)扇F2將熱空氣抽進(jìn)散熱裝置的內(nèi)環(huán)境中,熱空氣將散熱裝置的熱管加熱,通過管內(nèi)壁的毛細(xì)物質(zhì)浸滿的工作液體(水、甲醇、氨、丙酮、氟利昂等),將熱管的蒸發(fā)段加熱,熱量通過管壁傳給液體工質(zhì),工質(zhì)吸熱后變成蒸汽,并在冷凝段放出汽化潛熱,而這些熱量再借助更大面積的散熱器來傳到外部環(huán)的熱管端,外部環(huán)境在通過風(fēng)扇W1和W3將熱量散發(fā)至熱沉(即大氣)中,達(dá)到散熱效果。

5 設(shè)計(jì)方法

抗惡劣環(huán)境換熱裝置通過熱交換器分為兩個(gè)獨(dú)立的密封腔體,各腔體獨(dú)立。在抗惡劣環(huán)境的散熱器設(shè)計(jì)過程中,首先應(yīng)明確設(shè)備的需求,然后將設(shè)備與空氣直接進(jìn)行隔離,使兩者之間不能直接進(jìn)行空氣對(duì)流,最后,建立內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)對(duì)流循環(huán),通過熱管或其他的散熱體將內(nèi)外部之間的熱量進(jìn)行傳遞,最終,熱量由外循環(huán)帶至大氣(熱沉)中。本設(shè)計(jì)是采用上述設(shè)計(jì)方法進(jìn)行,設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品具有以下優(yōu)勢(shì):

1) 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱是利用風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)或抽風(fēng),以提高設(shè)備內(nèi)部空氣流動(dòng)速度來達(dá)到散熱目的的一種散熱方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱雖然能夠較好地實(shí)現(xiàn)散熱效果,但由于強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式是使大氣中的空氣與設(shè)備內(nèi)的空氣直接進(jìn)行對(duì)流,在散熱的同時(shí)會(huì)將大氣中的水蒸汽、砂塵、微粒、鹽霧等帶入設(shè)備內(nèi)部。砂塵等可能會(huì)阻擋通風(fēng)風(fēng)道,增加風(fēng)阻,而鹽霧、微粒等和水蒸氣一起作用在設(shè)備內(nèi)部元器件的表面,會(huì)形成約1μm～1mm厚的水膜,而這層水模會(huì)和元器件或設(shè)備殼體發(fā)生陽(yáng)極或陰極化學(xué)反應(yīng),甚至在極薄的水膜下,會(huì)使電池的電阻變得非常大,影響設(shè)備的正常使用。而抗惡劣環(huán)境換熱裝置通過換熱單元將強(qiáng)迫對(duì)流變換為對(duì)流加傳導(dǎo)散熱,在不影響散熱效果的同時(shí),能夠避免大氣中的空氣與設(shè)備內(nèi)的空氣進(jìn)行直接對(duì)流,極大地提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

2) 抗惡劣環(huán)境換熱裝置具有良好的電磁兼容性。在該裝置中,對(duì)孔洞和縫隙均做了相應(yīng)的電磁兼容性設(shè)計(jì):首先,風(fēng)扇的孔洞處理,在外環(huán)境中進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口均增加了截止波導(dǎo),截止波導(dǎo)的電磁屏蔽效果非常理想,尤其在頻率高于100MHz[[6]以上;其次,在箱體的頂部、熱管安裝位置處、換熱裝置與被散熱裝置之間均增加了耐腐蝕共擠導(dǎo)電橡膠條,該橡膠條具有良好的電磁密封性和水密封作用。最后,在頂部與蓋板之間、底部與被散熱設(shè)備之間等接觸位置處均做了導(dǎo)電涂層處理,保證了接觸面的具有良好的電氣連續(xù)性。

3) 抗惡劣環(huán)境換熱裝置具有良好的獨(dú)立性,與被散熱設(shè)備可方便的進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要求的模塊化、組合化等標(biāo)準(zhǔn)化要求,可大大提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

6 結(jié)語

抗惡劣環(huán)境換熱裝置主要針對(duì)的是一些戶外或者艦載設(shè)備等,可較好實(shí)現(xiàn)設(shè)備的散熱,使設(shè)備工作在正常的溫度范圍內(nèi)。在對(duì)換熱裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)被散熱設(shè)備的實(shí)際使用環(huán)境及設(shè)備內(nèi)部功率譜密度合理選擇換熱單元的熱管和散熱片,有必要時(shí),可采取熱分析軟件如Icepark、Flotherm、Flotrn[5]等進(jìn)行熱仿真,根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

[1] 王連坡.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的熱控制技術(shù)[J].電子機(jī)械工程,2009(6):1-2.

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[4] 邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005.265-397.

[5] 周旭.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004:7-20.

[6] 芮平良.網(wǎng)絡(luò)電磁空間防御作戰(zhàn)能力需求分析[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2011(2):4-5.

Heat Transfer Device in the Severe Environment

WANG Kai1WANG Lianpo2

(1. Beijing Century Real Technology Co., Ltd, Beijing 100000) (2. The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007)

The article introduces the basic requirement, the purpose of thermal design, basic principle as well as the basic mode of the heat transfer device of the electronic technologic equipment. the working principleis, design of the heat transfer device are desribed in detail, Compared with the heat exchanger of forced air cooling, the supeiority of the heat transfer device is got.

heat transfer, thermal control, heat transfer device, forced air cooling

2013年7月5日,

2013年8月27日

王凱,男,助理工程師,研究方向:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成。王連坡,男,高級(jí)工程師,研究方向:電子設(shè)備結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。

TK33

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.046