某大功率發(fā)射分機(jī)的熱設(shè)計

何小鴻

摘 要本文針對某大功率發(fā)射分機(jī)熱功耗大、局部熱流密度高的特點(diǎn)，對機(jī)箱和模塊采取了散熱冷卻技術(shù)，提出采用模塊、熱管與散熱器綜合一體化設(shè)計的散熱方式，通過仿真分析和熱測試，驗證了設(shè)備的散熱效果，達(dá)到了大功率發(fā)射分機(jī)的熱設(shè)計要求。

【關(guān)鍵詞】熱設(shè)計 大功率發(fā)射 分機(jī)熱流 密度熱管 仿真

1 前言

隨著電子設(shè)備和系統(tǒng)的集成度越來越高，各種高功率密度元器件的大量應(yīng)用，使得設(shè)備的局部熱流密度越來越大。由于高溫對元器件的壽命影響很大，會導(dǎo)致元器件失效，影響電子設(shè)備的可靠性，因此，熱設(shè)計成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文以某大功率發(fā)射分機(jī)為例，系統(tǒng)地介紹其組成，針對功能模塊局部熱流密度高的特點(diǎn)，采用熱管與風(fēng)機(jī)等綜合化設(shè)計措施，并通過仿真和設(shè)備的熱測試，驗證了熱設(shè)計方案的可行性，可為大功率發(fā)射機(jī)的散熱設(shè)計提供參考。

2 整機(jī)的熱設(shè)計

該大功率發(fā)射分機(jī)的熱耗主要集中在電源模塊和大功率發(fā)射模塊，為了有效提高設(shè)備的熱傳導(dǎo)效率，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)充分結(jié)合產(chǎn)品的體積、質(zhì)量和散熱功耗大小以及熱阻，對整機(jī)的各功能模塊進(jìn)行合理布局和優(yōu)化設(shè)計有尤為重要。

2.1 熱負(fù)荷

初步預(yù)估大功率發(fā)射分機(jī)機(jī)箱內(nèi)部各功能模塊的熱損耗如下表所示。大功率發(fā)射分機(jī)功能模塊熱耗分布如表1所示。

2.2 熱分析和計算

大功率發(fā)射分機(jī)安裝在車載方艙中，其環(huán)境溫度為55℃，而設(shè)備的極限使用溫度為85℃，預(yù)留5℃的余量，可得出溫升ΔT=85-55-5=25℃。

大功率發(fā)射分機(jī)功能模塊總熱功耗預(yù)計1320W，由機(jī)箱的幾何尺寸為：500mm×420mm×132mm，可得出整機(jī)表面熱流密度

根據(jù)熱流密度——溫升圖表，如圖1所示。當(dāng)溫升為25℃時，大功率發(fā)射分機(jī)需采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。

2.3 熱設(shè)計措施和方法

針對大功率發(fā)射分機(jī)內(nèi)部電源和功放模塊熱量集中，尤其功放管的熱耗高的特點(diǎn)，如何減少熱阻、提高模塊內(nèi)部溫度均勻性，對于大功率發(fā)射分機(jī)的防熱設(shè)計采用如下措施：

2.3.1 熱量的合理分布

在大功率發(fā)射分機(jī)的布局上對各功能模塊進(jìn)行綜合考慮和優(yōu)化設(shè)計，將發(fā)熱量大，功耗高的大功率發(fā)射模塊和電源模塊分別與機(jī)箱外壁連為一體，充分利用機(jī)箱外殼、底座及散熱器進(jìn)行熱傳導(dǎo)，能迅速將熱量向四周發(fā)散。對發(fā)射模塊中6個大功率功放管發(fā)熱元件進(jìn)行合理分布，并直接與腔體緊密貼合，在腔體內(nèi)表面采用鍍金導(dǎo)熱工藝，同時對于熱敏感和耐熱低的元器件、電路或部件布局盡量遠(yuǎn)離熱源分布，如圖2所示。

2.3.2 整機(jī)風(fēng)道和散熱器設(shè)計

整機(jī)的風(fēng)道設(shè)計對設(shè)備的散熱起到直接作用，一般平行風(fēng)道的冷卻系統(tǒng)，要求氣流進(jìn)入機(jī)箱后，形成高的靜壓和低的動壓，以便提高冷卻效果、降低出口和彎曲處的壓力損失。為防止氣流回流，進(jìn)口風(fēng)道截面積應(yīng)大于各分支風(fēng)道截面積總和。

機(jī)箱后面板為風(fēng)扇安裝區(qū)，機(jī)箱前后面板開通風(fēng)孔，風(fēng)扇朝機(jī)箱后面抽風(fēng)，自后向前形成負(fù)壓，風(fēng)從前面經(jīng)模塊間的風(fēng)道向后面運(yùn)行，帶走模塊上的熱量。整機(jī)的風(fēng)道和散熱器剖視圖，如圖3所示。

為提高電源模塊和大功率發(fā)射模塊的散熱效率，將模塊與散熱器進(jìn)行綜合一體化設(shè)計，利用功能模塊的背面空間設(shè)計成散熱器，可以有效降低傳統(tǒng)設(shè)計中模塊與散熱器之間的熱阻和熱傳遞損失，并在保證散熱的前提下，盡量減少體積、重量。

2.3.3 熱管及其他散熱措施和方法

熱管是利用蒸發(fā)相變的原理獲得一個均勻的溫度場，降低了溫度梯度，其熱阻很小，具有很高的導(dǎo)熱性能，可以大幅度提高設(shè)備的傳熱能力。

大功率發(fā)射模塊的幾何尺寸為：410mm×400mm×40mm，根據(jù)熱流密度公式可以計算出大功率發(fā)射模塊局部的表面熱流密度約為0.32W/cm2，雖然整機(jī)的表面熱流密度允許采用強(qiáng)迫風(fēng)能散熱，但由于大功率發(fā)射模塊發(fā)熱集中，其表面熱流密度超過了強(qiáng)迫風(fēng)冷的極限值，為降低大功率發(fā)射模塊的表面熱流密度和功放管殼的溫度，采用了換熱效率高的熱管導(dǎo)熱技術(shù)。

在大功率發(fā)射模塊背面通過采用熱管與散熱器一體化的設(shè)計方式，避免功放管的熱量過渡集中，使熱量在模塊內(nèi)部能有效分布，能迅速降低大功率功放管安裝面的溫度，并將熱量傳導(dǎo)出去。熱管模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

同時，為解決低頻大功率管的絕緣、散熱問題，在管殼與散熱器之間涂氮化硼硅脂等絕緣導(dǎo)熱材料，并在合成功放模塊與熱管散熱器的安裝面之間采用涂導(dǎo)熱硅膠等方法。另外，為降低散熱器的熱阻，可提高其表面加工粗超度等級措施。

2.4 風(fēng)機(jī)選擇

根據(jù)大功率發(fā)射分機(jī)的使用條件，要求整機(jī)在環(huán)境溫度為55℃的條件下，仍能正常、可靠工作，已知：大功率發(fā)射分機(jī)總耗散功率為1320W，假定整機(jī)出口溫度為70℃，即溫差為15℃，可得出空氣的定性溫度Tm=0.5×（55+70）= 62.5℃。查相關(guān)資料，62.5℃時的空氣參數(shù)為：空氣比容熱Cp=1006 J/kg·℃，空氣密度：ρ=1.06kg/m3，根據(jù)熱平衡方程：

可計算得到整機(jī)總需求通風(fēng)量為Qf=297m3/h，考慮風(fēng)機(jī)的效率及沿程壓力損失對通風(fēng)量的影響，取安全系數(shù)為1.4，則總通風(fēng)量需求為416m3/h。再根據(jù)整機(jī)溫升及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，選取3個型號為4412FM的軸流風(fēng)機(jī)，單個風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為140m3/h。主要性能參數(shù)如圖5所示。

3 熱仿真與測試評估

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)布局，采用ICEPAK對機(jī)箱強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱進(jìn)行分析。初始設(shè)定3個風(fēng)機(jī)分別工作在壓力流量匹配點(diǎn)為：流量140m3/h，壓力降130Pa狀態(tài)下；在模塊內(nèi)部器件分布不明的條件下，對各模塊設(shè)定為體積熱耗，設(shè)定工作環(huán)境溫度為+55℃，進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱仿真，電源模塊和大功率發(fā)射模塊的仿真結(jié)果如圖6和圖7。

從溫度云圖分布可以看出，電源模塊和大功率發(fā)射模塊的散熱設(shè)計和措施非常有效，模塊的最高溫升小于21℃，整機(jī)的熱量通過傳導(dǎo)和風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫風(fēng)冷可以滿足散熱要求。

該大功率發(fā)射分機(jī)在裝配調(diào)試后，用ATM2000溫度測試儀分別對模塊和整機(jī)進(jìn)行多點(diǎn)溫度測試，電源模塊和大功率發(fā)射模塊的表面散熱數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)接近，實(shí)際散熱效果良好。測試結(jié)果表明該散熱設(shè)計有效可靠，可以保證設(shè)備內(nèi)部元器件不超過安全溫度，能長時間穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

在大功率發(fā)射分機(jī)的熱設(shè)計中，我們根據(jù)設(shè)備的工作環(huán)境，結(jié)合整機(jī)和各功能單元的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，提出最佳的熱設(shè)計方案。針對發(fā)熱量集中和熱流密度高的特點(diǎn)，采用導(dǎo)熱率高的熱管技術(shù)，通過熱管與散熱器的一體化設(shè)計，以及優(yōu)化風(fēng)道等綜合設(shè)計方法和措施極大提高設(shè)備的散熱性能。同時，采用ICEPAK軟件對整機(jī)和功能模塊進(jìn)行了熱仿真分析，仿真與設(shè)備的熱測試結(jié)果表明，熱設(shè)計措施有效，該大功率發(fā)射分機(jī)可以滿足高溫環(huán)境的使用要求。

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作者單位

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司工程技術(shù)部 四川省綿陽市 621000