T/R組件通風(fēng)風(fēng)道散熱設(shè)計

劉衛(wèi)剛，趙冬竹，韓 嬋

(1.陜西黃河集團有限公司，陜西 西安 710043；2.西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

?

T/R組件通風(fēng)風(fēng)道散熱設(shè)計

劉衛(wèi)剛1，趙冬竹1，韓 嬋2

(1.陜西黃河集團有限公司，陜西 西安 710043；2.西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院，陜西 西安 710043)

針對某有源相控陣雷達天線中T/R組件散熱條件差的問題，設(shè)計了一種通風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu)，采用強迫風(fēng)冷的散熱方式，運用Floefd軟件進行風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，采用T形風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式，可有效降低T/R組件的最高溫度，同時使組件之間的溫度一致性降到約3.4 ℃。仿真結(jié)果滿足T/R組件最大允許工作溫度和組件之間溫度一致性的要求。

通風(fēng)風(fēng)道；T/R組件；散熱分析；強迫風(fēng)冷

在有源相控陣天線中安裝有大量密集度高的T/R組件，T/R組件工作會產(chǎn)生大量熱損耗，過高的溫度會影響組件的工作性能和使用壽命。因此，熱設(shè)計在有源相控陣天線中是一個重要的問題[1-2]。目前應(yīng)用于有源相控陣天線上的散熱方式主要有液冷和風(fēng)冷。液冷和風(fēng)冷都可以對熱流密度大的T/R組件達到均溫散熱的效果，但液冷散熱[3-11]需要一套完整的液冷系統(tǒng)，不適合輕型化、高機動性的雷達；風(fēng)冷散熱[12-17]大多采用開放式風(fēng)冷系統(tǒng)，因而抗惡劣環(huán)境影響的能力差，不能實現(xiàn)有源相控陣天線的防塵、防水和防鹽霧[18]。

針對上述問題，設(shè)計了一種通風(fēng)風(fēng)道用于某有源相控陣天線中的T/R組件散熱，采用強迫風(fēng)冷的散熱方式帶走T/R組件產(chǎn)生的熱量。該通風(fēng)風(fēng)道外壁用于連接T/R組件，內(nèi)腔用于氣流流動帶走T/R組件產(chǎn)生的熱量，通風(fēng)風(fēng)道的外壁及T/R組件密封在天線殼體內(nèi)部。結(jié)構(gòu)如圖1所示，因此，該結(jié)構(gòu)同時滿足雷達機動性和三防要求。本文設(shè)計的關(guān)鍵是優(yōu)化風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式，從而滿足T/R組件最大允許工作溫度和組件工作時溫度一致性要求。

圖1 T/R組件通風(fēng)風(fēng)道

1 熱設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

T/R組件最大允許工作溫度為75 ℃；雷達工作時，T/R組件之間的溫度一致性要求≤10 ℃；T/R組件工作環(huán)境溫度為-40～+50 ℃。

T/R組件總的耗散功率為

P=P1·n·(1-η)·η1=50×48×
(1-15%)×20%=408W

(1)

式中，P1為單個T/R組件的微波脈沖輸出功率，取P1=50 W；n為T/R組件的數(shù)量，取n=48；η是T/R組件的效率，取η=15%；η1為雷達發(fā)射占空比，取η1=20%。

1.2 風(fēng)冷流量的計算

T/R組件工作時環(huán)境最高溫度為50 °C。根據(jù)強迫對流平衡方程式(2)計算T/R組件通風(fēng)風(fēng)道內(nèi)空氣流動的溫升

(2)

式中，Qv為風(fēng)道內(nèi)所需的通風(fēng)量；P為T/R組件總的耗散功率，取P=408W=248 kcal/h；Cp為空氣的比熱，50 ℃時：取Cp=0.24 kcal/kg·℃；ρ是空氣密度，50 ℃時取ρ=1.093 kg/m3；Δt為進出口的溫度差。

由此可得T/R組件風(fēng)道內(nèi)部的空氣溫升Δt為

(3)

為保證T/R組件最高溫度不超過75 ℃，即

Δt+Δt1≤75

(4)

式中，Δt1為最高環(huán)境溫度，取Δt1=50 ℃。根據(jù)式(4)可得T/R組件風(fēng)道內(nèi)所需通風(fēng)量為

Qv≥37.8 m3/h

(5)

考慮到通風(fēng)風(fēng)道阻力的影響，設(shè)計風(fēng)量增大3倍，設(shè)計風(fēng)量為114 m3/h。依據(jù)設(shè)計風(fēng)量選擇型號為DB12038B24HR的直流風(fēng)機，該風(fēng)機的外型尺寸為120 mm×120 mm×38 mm，其最大風(fēng)量為346 m3/h，工作溫度為-25～+80 ℃。

2 T/R組件結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

根據(jù)以上風(fēng)量計算的結(jié)果和雷達天線的布局形式，將48個T/R組件依次交錯排列在通風(fēng)風(fēng)道外壁兩側(cè)，結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。由于風(fēng)道太長，其進風(fēng)口和出風(fēng)口各安裝一個風(fēng)機并采用一端鼓風(fēng)另外一端抽風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式。安裝T/R組件時，在通風(fēng)風(fēng)道與T/R組件的貼合上面均勻涂導(dǎo)熱硅脂以消除兩者之間的間隙，從而減小傳熱路徑中的熱阻。圖3為通風(fēng)風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式。

圖2 T/R組件散熱風(fēng)道

用CAD軟件建立T/R組件通風(fēng)風(fēng)道的散熱模型。由于雷達天線結(jié)構(gòu)形式限制，通風(fēng)風(fēng)道的外形尺寸不能增大，因此可通過改變風(fēng)道中散熱片的數(shù)量、間距、厚度、高度來滿足設(shè)計指標要求。通過理論計算可得：散熱片的數(shù)量為18個，間距為2 mm，厚度為1 mm，高度為8 mm，長度與風(fēng)道的長度相同。這些條件和熱設(shè)計的技術(shù)要求將作為Floefd軟件優(yōu)化的初始條件，仿真結(jié)果如4圖所示。

圖4 風(fēng)道初始模型仿真結(jié)果

從圖4的仿真結(jié)果可以看出：由于上下兩側(cè)散熱片的間距過小導(dǎo)致風(fēng)阻較大，從而使大量的風(fēng)從入口風(fēng)機反射出去而只有很少的風(fēng)量穿過散熱片之間的間隙；空氣沿風(fēng)道流動的過程中，風(fēng)道內(nèi)溫度不斷在靠近出風(fēng)口位置累積升高，故在風(fēng)道出風(fēng)口附近的T/R組件溫度最高，達到75.18 ℃，其值超出T/R組件所允許的最高工作溫度。因此必須通過優(yōu)化風(fēng)道中散熱片的數(shù)量、間距、厚度、高度以達到設(shè)計指標要求。表1中的數(shù)據(jù)為Floefd軟件優(yōu)化結(jié)果。

表1 散熱片優(yōu)化數(shù)據(jù)

從表1的數(shù)據(jù)可以看出：第5組為最優(yōu)數(shù)據(jù)，但該組數(shù)據(jù)中T/R組件最高溫度值接近最大允許的工作溫度。由此，該風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式存在空氣的流動流動路徑長、熱量累積的缺點。

為解決上述通風(fēng)風(fēng)道存在問題并降低T/R組件表面的最高溫度，使所有T/R組件表面溫度均勻，本文在表1第5組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將風(fēng)道中散熱片的形狀改為階梯形，并將風(fēng)道中間位置設(shè)計為出風(fēng)口而兩端設(shè)計為進風(fēng)口，同時將風(fēng)機通過導(dǎo)風(fēng)裝置安裝在出風(fēng)口位置。因此，該結(jié)構(gòu)形成了中間抽風(fēng)兩端進風(fēng)的T形風(fēng)道。這種結(jié)構(gòu)形式可以使風(fēng)道的進風(fēng)量增大一倍并且可以縮短空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動路徑。改進后的通風(fēng)風(fēng)道仿真模型如圖5所示，風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 風(fēng)道模型

使用Floefd軟件對改進后的模型進行仿真優(yōu)化，通過多次優(yōu)化可得：散熱片數(shù)量為17，高度為20 mm(階梯形最高處)，厚度為0.8 mm，間距為2.5 mm。仿真結(jié)果如圖7所示，從結(jié)果可以看出：由于風(fēng)道采用階梯形的散熱片和兩端進風(fēng)中間出風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)使空氣流動阻力變小、進風(fēng)量增大、氣流路徑變短，使整個風(fēng)道的散熱分布比較均勻。進風(fēng)口和出風(fēng)口的T/R組件溫度相差約3.4 ℃；風(fēng)道中T/R組件最高溫度約69.7 ℃。該仿真結(jié)果比之前的仿真結(jié)果降低約3 ℃，解決了原風(fēng)道出風(fēng)口位置T/R組件溫度過高的問題。因此，這種結(jié)構(gòu)形式能提供給T/R組件較均勻的工作溫度。

圖7 風(fēng)道仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

針對某有源相控陣天線中T/R組件數(shù)量多、散熱量大、天線內(nèi)通風(fēng)散熱條件差的問題，采用空氣強迫對流的散熱方式并運用Floefd熱設(shè)計軟件對T/R組件通風(fēng)風(fēng)道進行了優(yōu)化改進，將風(fēng)道由一端鼓風(fēng)另一端抽風(fēng)優(yōu)化的形式優(yōu)化為兩端進風(fēng)中間抽風(fēng)的T形風(fēng)道形式。優(yōu)化結(jié)果滿足了T/R組件散熱要求。這為評價冷板性能、優(yōu)化散熱風(fēng)道設(shè)計方案提供了一種有效的分析手段，同時為有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計提供了理論依據(jù)。

[1] 平麗浩.雷達熱控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].現(xiàn)代雷達,2009,31(5):1-6.

[2] 陳德生,魏延濤，常越，等.新一代天氣雷達系統(tǒng)熱設(shè)計與技術(shù)分析[J].電子科技,2012,25(7):121-124.

[3] 董進喜,楊明明，趙亮，等.電子設(shè)備液冷散熱的冷卻液熱學(xué)性能分析[J].電子科技,2013,26(4):106-109.

[4] 李鳳英.大型固態(tài)雷達發(fā)射機的分布式水冷[J].福建建筑,2008,(8):122-124.

[5] 劉曉紅,江建.某數(shù)字T/R組件微通道液冷冷板的熱設(shè)計[J].電子機械工程,2016,32(2):13-16.

[6] 程寶山,劉宇.雷達發(fā)射機的冷卻及熱設(shè)計優(yōu)化分析[J].信息通信,2015(6):275-276.

[7] 賁少愚,魏濤.某液冷冷板換熱特性實驗研究[J].電子機械工程,2015,31(2):7-10.

[8] 翁夏.微/小通道冷板在某型相控陣天線上的對比分析[J].電子機械工程,2014,30(5):16-18.

[9] Feng W J,Huang D G.Study on the optimization design of flow channels and heat dissipation performance of liquid cooling modules[C].Changchun:International Conference on Mechatronics and Automation,2009.

[10] 楊雙根.固態(tài)組件冷板熱擴展體性能分析[J].雷達科學(xué)與技術(shù),2009(3):240-244.

[11] Chen C H,Ding C Y.Study on the thermal behavior and cooling performance of a nanofluid-cooled microchannel heat sink[J].International Journal of Thermal Sciences,2011,50(3):378-384.

[12] 劉家華.某型雷達密封機箱散熱結(jié)構(gòu)研究[J].電子機械工程,2012,28(4):36-41.

[13] 錢宣,孫為民.機載有源相控陣雷達天線陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].現(xiàn)代雷達,2012,34(9):66-68.

[14] 陳國平.某遠程三坐標雷達熱控系統(tǒng)設(shè)計[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[15] 周慧敏.電子設(shè)備核心元件熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[16] 張婭妮.機載電子設(shè)備冷卻散熱技術(shù)的發(fā)展[J].航空計算技術(shù),2012,42(4):113-116.

[17] 王闊.天線前端整機散熱技術(shù)研究[J].電子科學(xué)技術(shù),2015,3(2):286-290.

[18] 那健,李述君.一種小型一體化全封閉加固機的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].艦船科學(xué)技術(shù),2009,31(10):80-82.

Thermal Design of the Air Flue for the T/R Module

LIU Weigang1，ZHAO Dongzhu1，HAN Chan2

(1.Shaanxi Huanghe River Co. Ltd., Xi’an 710043, China;2.Huaqing School, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710043, China)

An air flue structure is designed to improve the ventilation and cooling of T/R module in the active phased array antenna. Forced air cooling is adopted to optimize the air flue structure by using FloEFD software. The simulation results show that maximal T/R module temperature can be reduced effectively by using the T-shaped air flue structure, with the temperature uniformity also reduced to about 3.4 ℃. The requirements of maximal temperature and uniformity are satisfied.

ventilation duct; T/R module; thermal design; forced air cooling

2016- 09- 21

劉衛(wèi)剛(1983-)，男，碩士，工程師。研究方向：雷達天線散熱設(shè)計。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.043

TN82 ; TN830.5

A

1007-7820(2017)07-153-03