某機(jī)載雷達(dá)密閉式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)*

劉曉紅，趙德斌

(北京無(wú)線電測(cè)量研究所， 北京 100854)

某機(jī)載雷達(dá)密閉式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)*

劉曉紅，趙德斌

(北京無(wú)線電測(cè)量研究所， 北京 100854)

文中針對(duì)機(jī)載電子設(shè)備的環(huán)境特點(diǎn)，開展了密閉式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)工作，重點(diǎn)在于降低插件導(dǎo)冷板的板內(nèi)橫向傳導(dǎo)熱阻和機(jī)箱側(cè)壁風(fēng)道的對(duì)流熱阻。仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試均證實(shí)，熱設(shè)計(jì)能夠保證機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備在高溫工況下正常工作。在密閉式機(jī)箱散熱過(guò)程中，冷卻空氣與電子器件不直接接觸，因而在解決散熱問(wèn)題的同時(shí)，也提高了機(jī)箱的環(huán)境適應(yīng)性，尤其適用于機(jī)載電子設(shè)備。而人工石墨貼片則適用于以導(dǎo)熱為主要散熱措施的場(chǎng)合，用于解決集中熱源的散熱問(wèn)題。

機(jī)載雷達(dá)；密閉機(jī)箱；熱設(shè)計(jì)

引 言

機(jī)載電子設(shè)備具有總功耗不大、局部熱流密度高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，面臨的熱環(huán)境條件包括高溫、低氣壓、濕熱、霉菌、鹽霧等，這些都為散熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難[1]。為了提高電子設(shè)備的可靠性，密閉機(jī)箱成為機(jī)載機(jī)箱結(jié)構(gòu)的首選。所有電子設(shè)備安裝在密閉機(jī)箱內(nèi)，機(jī)箱側(cè)壁成為唯一的散熱途徑，冷卻介質(zhì)經(jīng)過(guò)機(jī)箱側(cè)壁，通過(guò)對(duì)流換熱把機(jī)箱內(nèi)部熱量帶走。密閉機(jī)箱具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)，尤其適用于無(wú)人機(jī)等無(wú)環(huán)控的機(jī)載平臺(tái)[2-6]。

本文根據(jù)某機(jī)載雷達(dá)的研制要求，開展了密閉式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)工作，并通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了其散熱效果。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)

為滿足機(jī)箱散熱要求，同時(shí)兼顧雷達(dá)系統(tǒng)研制任務(wù)書的高溫、低氣壓、霉菌、鹽霧等環(huán)境適應(yīng)性要求，機(jī)箱結(jié)構(gòu)選取外部強(qiáng)迫風(fēng)冷的密閉式機(jī)箱，如圖1所示。電子插件位于機(jī)箱內(nèi)部，通過(guò)楔形鎖緊條與機(jī)箱側(cè)壁連接。楔形鎖緊條固定安裝在插件導(dǎo)冷板上。在機(jī)箱側(cè)壁的外側(cè)設(shè)計(jì)風(fēng)冷散熱器，在機(jī)箱背板安裝軸流風(fēng)機(jī)。通過(guò)與機(jī)箱內(nèi)部卡槽緊密接觸，插件熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱側(cè)壁。外部環(huán)境的冷空氣由機(jī)箱前面板的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，流經(jīng)機(jī)箱側(cè)壁外側(cè)的散熱器，帶走熱量后進(jìn)入機(jī)箱后部的夾縫內(nèi)，最后由機(jī)箱背板的軸流風(fēng)機(jī)排出。在散熱循環(huán)中，機(jī)箱內(nèi)電子器件不與潮濕空氣接觸，避免了惡劣氣候條件對(duì)設(shè)備造成的直接危害，同時(shí)在機(jī)箱前面板的電連接器、機(jī)箱上下蓋板四周等位置做密封處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱內(nèi)電子器件與外界環(huán)境的徹底隔絕。插件及導(dǎo)冷板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)(隱藏上蓋板和側(cè)蓋板)

圖2 插件及導(dǎo)冷板結(jié)構(gòu)

如圖3所示，插件上電子器件的熱流傳遞路徑為電子器件→導(dǎo)冷板→導(dǎo)冷板邊緣→機(jī)箱側(cè)壁卡槽→風(fēng)道，最后由風(fēng)機(jī)將熱量帶走。熱流傳遞路徑上的主要熱阻為導(dǎo)冷板的橫向?qū)釤嶙韬蜋C(jī)箱側(cè)壁風(fēng)道內(nèi)的對(duì)流熱阻，降低這2項(xiàng)熱阻是解決機(jī)箱散熱問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖3 電子器件的熱量傳遞路徑

2 熱設(shè)計(jì)

機(jī)箱內(nèi)總的熱負(fù)荷為270 W，熱設(shè)計(jì)指標(biāo)為：環(huán)境溫度55 ℃，機(jī)箱側(cè)壁內(nèi)部卡槽溫度低于70 ℃，A4插件的FPGA器件殼溫低于80 ℃，其他插件的電子器件殼溫低于85 ℃。

2.1 插件導(dǎo)冷板的設(shè)計(jì)

插件導(dǎo)冷板的主要作用為：1)將電子器件的熱量迅速傳導(dǎo)至插件兩側(cè)，避免熱量堆積進(jìn)而引起電子器件過(guò)熱；2)對(duì)電子器件起保護(hù)作用，電子器件與空氣隔絕，可提高電子器件的環(huán)境適應(yīng)性；3)對(duì)印制板起到加固作用，可提高插件的抗震動(dòng)性能。綜合考慮傳熱性能、可加工性、重量、耐腐蝕性、成本等因素，選取鋁合金-6063為插件導(dǎo)冷板的材料，其導(dǎo)熱系數(shù)約為208 W/(m·K)。

根據(jù)傅立葉定律推導(dǎo)傳導(dǎo)熱阻的公式：

R=(t1-t2)/Qj=L/(λWδ)

式中：t1為電子器件對(duì)應(yīng)位置的導(dǎo)冷板溫度；t2為導(dǎo)冷板的邊緣溫度；Qj為電子器件的熱負(fù)荷；L為熱量傳輸距離；λ為導(dǎo)冷板的導(dǎo)熱系數(shù)；δ為冷板厚度；W為冷板寬度。

分析傳導(dǎo)熱阻的計(jì)算公式發(fā)現(xiàn)，在導(dǎo)冷板材料確定、器件尺寸和熱耗已知的條件下，熱量傳輸距離和導(dǎo)冷板厚度是影響傳導(dǎo)熱阻的關(guān)鍵因素。即器件布置在印制板的邊緣，熱量傳輸距離最短，傳導(dǎo)熱阻最?。粚?dǎo)冷板越厚，傳導(dǎo)熱阻越小。由此可知，傳導(dǎo)熱阻與導(dǎo)冷板厚度成反比，與導(dǎo)冷板的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。以某插件的FPGA器件為例，采用仿真分析驗(yàn)證導(dǎo)冷板厚度對(duì)傳導(dǎo)熱阻的影響。插件為標(biāo)準(zhǔn)3U VPX插件，導(dǎo)冷板長(zhǎng)160 mm，寬100 mm。FPGA器件的封裝尺寸為35 mm × 35 mm，熱耗為20 W。FPGA器件在插件的中間位置。

圖4給出了在恒定溫度邊界條件下導(dǎo)冷板厚度對(duì)器件溫度的影響(溫度變化范圍為55 ℃～77 ℃)。導(dǎo)冷板厚度δ為1 mm、2 mm、3 mm和5 mm，對(duì)應(yīng)的FPGA器件溫度分別為77.15 ℃、68.2 ℃、65 ℃和63.9 ℃。由此可知，增加導(dǎo)冷板厚度可以有效降低器件溫度，但當(dāng)導(dǎo)冷板的厚度達(dá)到某一數(shù)值后，繼續(xù)增加厚度對(duì)降低器件溫度的貢獻(xiàn)很小，反而會(huì)增加重量。因此，插件導(dǎo)冷板的厚度選為2.5～3 mm。經(jīng)過(guò)詳細(xì)設(shè)計(jì)，該插件導(dǎo)冷板的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 導(dǎo)冷板厚度對(duì)器件溫度的影響

圖5 插件導(dǎo)冷板結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)箱側(cè)壁風(fēng)道的設(shè)計(jì)

根據(jù)公式Q=hA(ths-ta)估算將機(jī)箱內(nèi)熱量帶走所必需的散熱面積A。式中：Q為機(jī)箱內(nèi)的熱負(fù)荷;h為對(duì)流換熱系數(shù)，按照強(qiáng)迫風(fēng)冷的經(jīng)驗(yàn)值估算，h= 50 W/(m2·K)；ths為散熱器溫度，ta為流經(jīng)散熱器的空氣溫度，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，散熱器與冷氣之間的溫差(ths-ta)為15 ℃～25 ℃，這里取20 ℃。計(jì)算得到必需的散熱面積A= 0.27 m2，即機(jī)箱側(cè)壁單側(cè)風(fēng)道的散熱面積至少應(yīng)為0.135 m2。

機(jī)箱側(cè)壁風(fēng)道的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮散熱面積和流動(dòng)阻力的因素。利用仿真分析對(duì)散熱器的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如下：

1)散熱器整體長(zhǎng)286 mm，寬130 mm，高20.5 mm；

2)散熱器基板厚2 mm，風(fēng)道蓋板厚2 mm；

3)散熱齒高16.5 mm，散熱齒厚1 mm，散熱齒間距6 mm，散熱齒數(shù)約為17個(gè)；

4)單側(cè)風(fēng)道的散熱面積為0.17 m2。

2.3 風(fēng)機(jī)選型

根據(jù)公式Q=cpρQv(ta,out-ta,in) 計(jì)算將機(jī)箱內(nèi)熱量帶走所必需的通風(fēng)量Qv。式中：機(jī)箱內(nèi)熱負(fù)荷Q取270W；cp為空氣比熱容，定性溫度t= 55 ℃，cp取1 005 J/(kg·K)；ρ為空氣密度，取1.076 5 kg/m3；ta,in為散熱器的進(jìn)口空氣溫度，ta,out為散熱器的出口空氣溫度，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般進(jìn)出口空氣溫差(ta,out-ta,in)為10 ℃。計(jì)算得到所需通風(fēng)量Qv= 90 m3/h。

按照10%設(shè)計(jì)余量計(jì)算，機(jī)箱的通風(fēng)量應(yīng)不少于100m3/h，即流經(jīng)機(jī)箱側(cè)壁單側(cè)風(fēng)道的風(fēng)量不少于50 m3/h。采用軟件計(jì)算50 m3/h空氣流經(jīng)機(jī)箱側(cè)壁單側(cè)風(fēng)道需要克服的流動(dòng)阻力約為100 Pa。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)箱風(fēng)機(jī)需提供的通風(fēng)量大于100 m3/h，風(fēng)壓大于100 Pa，并且留有一定余量，以克服空氣流經(jīng)風(fēng)道出口與機(jī)箱背板之間的夾縫所需的流動(dòng)阻力。選用的風(fēng)機(jī)型號(hào)為EBM-papst 3212JH3，其外形尺寸如圖6所示，風(fēng)機(jī)特性曲線如圖7所示，風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖6 風(fēng)機(jī)外形尺寸

圖7 風(fēng)機(jī)特性曲線

表1 風(fēng)機(jī)參數(shù)

3 仿真分析

仿真分析條件為環(huán)境溫度55 ℃，分析結(jié)果如下：

1)機(jī)箱通風(fēng)量為112 m3/h，風(fēng)阻為260 Pa，滿足通風(fēng)量要求，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)基本合理。

2)如圖8所示，機(jī)箱側(cè)壁內(nèi)部卡槽的最高溫度為70 ℃，滿足熱設(shè)計(jì)要求。

圖8 機(jī)箱溫度

3)機(jī)箱內(nèi)關(guān)鍵插件的仿真分析結(jié)果見(jiàn)表2。A4插件的FPGA器件殼溫為80.8 ℃，其他插件的電子器件殼溫均低于85 ℃，滿足熱設(shè)計(jì)要求。

表2 關(guān)鍵插件的仿真分析結(jié)果

4)流經(jīng)機(jī)箱側(cè)壁風(fēng)道的空氣流線如圖9所示，基本合理。

圖9 機(jī)箱流線

4 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)在55 ℃環(huán)境試驗(yàn)箱中進(jìn)行，試驗(yàn)用儀器為橫河GP20數(shù)據(jù)采集儀和熱電偶配合使用。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 關(guān)鍵插件的溫度測(cè)試結(jié)果

從表3的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，所有電子器件的溫度均滿足熱設(shè)計(jì)要求。對(duì)比表2和表3發(fā)現(xiàn)，仿真分析得到的溫度數(shù)據(jù)比試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果高，誤差在5 ℃以內(nèi)。

為了改善A4插件FPGA器件的散熱效果，在導(dǎo)冷板的外側(cè)粘貼單面?zhèn)淠z的人工石墨貼片(面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高于600 W/(m·K))，將熱源均勻化，如圖10所示。再次測(cè)試的結(jié)果表明，F(xiàn)PGA器件殼溫為75 ℃，下降了5 ℃，效果明顯。

圖10 石墨貼片的位置

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足雷達(dá)系統(tǒng)研制要求，本文開展了外部強(qiáng)迫風(fēng)冷的密閉式機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)工作。仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試均證實(shí)，該機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)能夠保證機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備在高溫工況下正常工作。人工石墨貼片面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高，在以導(dǎo)熱為主要散熱措施的場(chǎng)合，可將集中熱源均勻化，輔助解決集中熱源的散熱問(wèn)題。

因密閉式機(jī)箱自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在散熱過(guò)程中，冷卻空氣只流經(jīng)機(jī)箱外部的散熱器和風(fēng)機(jī)，與電子器件/插件均未直接接觸，因而在解決散熱問(wèn)題的同時(shí)，也提高了機(jī)箱的環(huán)境適應(yīng)性。該密閉式機(jī)箱尤其適用于機(jī)載雷達(dá)高溫、高濕、霉菌、鹽霧的環(huán)境條件。

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劉曉紅(1982-)，女，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)工作。

Thermal Design of Closed Cabinet for Airborne Radar

LIU Xiao-hong，ZHAO De-bin

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

To meet the environment requirements of electronic equipment for the airborne radar, thermal design of the closed cabinet is carried out in this paper. The key techniques of thermal design focus on two points. The first one is to lower the conduction thermal resistance of the module cooling plate. The second one is to lower the convection thermal resistance of the heat sink located on the side of the closed cabinet. Thermal analysis and experiments show that all electronic equipment in the closed cabinet can work normally under high temperature. Because of structural features of the closed cabinet, the cooling air doesn′t contact directly with the electronic equipment. Therefore, not only the heat radiation problem of the cabinet is solved but also its environment adaptability is improved. This closed cabinet can be widely used in the adverse environment as the airborne radar. Graphite film exceeds copper in thermal conductivity, which is suitable for the homogenization treatment of higher heat flux in local area.

airborne radar; closed cabinet; thermal design

2016-07-28

TK124

A

1008-5300(2016)06-0014-04