某彈載電子機(jī)箱的熱設(shè)計

張新東，金旸霖，韓文靜

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海 200331)

0 引言

彈載電子機(jī)箱具有體積小、重量輕、總功耗大的特點(diǎn)，其工作環(huán)境較為特殊，需要在密閉的振動環(huán)境下短暫性工作，在一定時間段內(nèi)滿足振動沖擊、電磁屏蔽以及散熱的要求[1]。由于機(jī)箱內(nèi)部電子集成度非常高，全功率工作下電路元器件發(fā)熱較大，熱量積聚導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部溫度不斷升高。據(jù)統(tǒng)計機(jī)箱內(nèi)部每升高10 ℃，其可靠性就會下降60%，這對機(jī)箱的散熱提出了很高的要求[2-3]。

由于彈載工作環(huán)境嚴(yán)苛，機(jī)箱不能使用液冷或風(fēng)冷散熱，因此只能采用殼體表面導(dǎo)冷的方式。正常工作情況下，機(jī)箱內(nèi)部子卡模塊電路元器件發(fā)熱，熱量通過模塊殼體傳到機(jī)箱殼體上，再與外部空氣進(jìn)行熱交換。為提高熱傳遞效率，在不影響機(jī)箱整體振動沖擊性能的前提下，優(yōu)化殼體翅片參數(shù)，改善機(jī)箱框架，引入新型冷板工藝，通過對均溫板和儲熱板殼體的仿真與實驗分析，探索機(jī)箱散熱與儲熱的新設(shè)計，以保證彈載電子機(jī)箱的正常工作。

1 總體布局

該彈載電子機(jī)箱按照VITA74標(biāo)準(zhǔn)框架搭建，其內(nèi)部有4個子卡模塊，機(jī)箱框架采用一體焊接形式，提高機(jī)箱的整體強(qiáng)度[4]。子卡模塊殼體通過機(jī)箱限位槽限位，而非鎖緊條固定，增加機(jī)箱裝配和調(diào)試的便易性，機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。子卡模塊殼體的2個側(cè)面和頂面與機(jī)箱框架接觸，實現(xiàn)熱量傳遞。機(jī)箱殼體帶有翅片，提高機(jī)箱與外部空氣熱傳導(dǎo)效率，降低內(nèi)部環(huán)境溫度，熱量傳導(dǎo)如圖2所示。

圖1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意

圖2 機(jī)箱熱傳導(dǎo)示意

2 機(jī)箱殼體的熱設(shè)計

該彈載電子機(jī)箱內(nèi)部有4個子卡模塊，全功率工作功耗120 W，初始環(huán)境溫度65 ℃，工作10 min后停止，考慮到機(jī)箱內(nèi)部電子元器件工作溫度為-60 ℃～+120 ℃，即子卡模塊殼體工作10 min時，內(nèi)部最高溫度不超過120 ℃，則滿足機(jī)箱溫升要求。

在密閉機(jī)箱中，主要靠機(jī)箱表面與空氣的熱交換，機(jī)箱表面空冷公式[5]為

(1)

Qs為發(fā)熱量；D1為傳熱系數(shù)，與環(huán)境和傳熱材料的物理性能相關(guān)；Seq為機(jī)箱與空氣接觸的表面積；△Ta為環(huán)境溫度差。

2.1 機(jī)箱翅片的熱設(shè)計

合理優(yōu)化機(jī)箱表面翅片參數(shù)，提高機(jī)箱空冷性能。由式(1)可得，機(jī)箱殼體的散熱性能與Seq接觸面積呈正相關(guān)，但彈倉空間狹窄，機(jī)箱底部與前后蓋板處需鎖緊，因此只能在機(jī)箱的頂部和兩側(cè)面設(shè)置翅片。翅片的高度、厚度和間隙都會影響到散熱效率[6]，自然對流后，翅片的高度越高，散熱效果就越好，但由于空間限制，翅片的高度選擇最大3 mm；通過Icepak軟件進(jìn)行熱仿真計算優(yōu)化，當(dāng)翅片間距設(shè)置為5.5 mm 時，空氣對流效果最好；當(dāng)翅片厚度為1.5 mm時，電路元器件10 min時溫度最低。機(jī)箱仿真結(jié)果如圖3所示。機(jī)箱表面溫度最高為135 ℃，出現(xiàn)在與子卡模塊接觸的面上，元器件最高溫度157 ℃，出現(xiàn)在第三個模塊內(nèi)部電路上。在求解過程中，忽略了所有螺釘孔以及與散熱翅片傳熱關(guān)系不大的局部部件。

圖3 機(jī)箱內(nèi)部溫度分布云圖

2.2 機(jī)箱框架的改善

改善電子機(jī)箱殼體框架，提高機(jī)箱與子卡模塊間的傳熱效率。模塊殼體與機(jī)箱框架通過接觸傳熱，但兩者之間接觸的表面很難完全貼合，因此熱傳導(dǎo)的過程中必然存在接觸熱阻。通過在接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂，減小接觸熱阻增大傳熱系數(shù)，強(qiáng)化散熱效果[7]。但通常機(jī)箱框架為保證機(jī)械強(qiáng)度，焊接成一體式，模塊殼體接觸面涂了導(dǎo)熱硅脂后，從上向下插入機(jī)箱，由于加工誤差和表面粗糙度的影響，導(dǎo)熱硅脂極易分布不均，使得接觸面不能完全貼合。現(xiàn)將一體式機(jī)箱框架改為分離式，在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，將左右兩側(cè)翅片板做成可拆卸式，如圖4所示。改善后的機(jī)箱框架強(qiáng)度滿足要求，在機(jī)箱兩側(cè)翅片板和模塊殼體接觸面上分別涂抹導(dǎo)熱硅脂，最后用螺釘鎖緊兩側(cè)翅片板，通過擠壓讓接觸面完全貼合。

圖4 分離式機(jī)箱翅片示意

將機(jī)箱放置于65 ℃的密閉環(huán)境試驗箱中，機(jī)箱全功率工作10 min后停止，采用紅外線測溫儀進(jìn)行測溫。分別對5個同一型號的傳統(tǒng)機(jī)箱框架和改善后的框架進(jìn)行試驗，機(jī)箱內(nèi)部發(fā)熱器件最高溫度如表1所示。由表1可知，改善后的機(jī)箱每次裝配后，測量接觸面的溫度一致性較好，而改善前的機(jī)箱由于裝配順序和導(dǎo)熱硅脂分布不均，接觸面的溫度最大差約為7 ℃。機(jī)箱測試溫度曲線與仿真曲線的趨勢相同，仿真與試驗發(fā)熱件最高溫度誤差在10%以內(nèi)。因此改善后的機(jī)箱框架既提高了產(chǎn)品散熱效果，也增加了產(chǎn)品的可靠性。

表1 改善前后機(jī)箱內(nèi)部最高溫度實驗記錄

3 子卡模塊的熱設(shè)計

子卡模塊由模塊殼體、連接器和電路板組成，每個模塊功耗不同，該機(jī)箱內(nèi)部溫度最高出現(xiàn)在第三個模塊，其溫度為157 ℃，如圖3所示。建立印制板上的芯片模型，在模塊殼體上挖出相應(yīng)的槽深，如圖5所示。在電路板元器件表面和模塊殼體槽內(nèi)涂抹導(dǎo)熱硅脂，用螺釘將印制板和模塊殼體鎖緊，使得發(fā)熱芯片表面與模塊殼體通過導(dǎo)熱硅脂完全貼合，提高導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 模塊殼體示意

3.1 均溫板殼體

引入均溫板工藝，提高模塊殼體的導(dǎo)熱效率。子卡模塊殼體的材料為鋁合金6061，導(dǎo)熱率為198 W/(m·K)，導(dǎo)熱率較差。在模塊殼體內(nèi)部做襯熱管(均溫板)，在熱管內(nèi)部填充丙酮，改善殼體局部過熱現(xiàn)象，增強(qiáng)散熱平面方向的導(dǎo)熱能力，如圖6所示。通過Icepak仿真計算得到，600 s時第三個殼體模塊上最高溫度為103 ℃，較鋁合金冷板，散熱效果提高34%，滿足機(jī)箱溫升的要求，仿真結(jié)果如圖7所示。

3.2 儲熱板殼體

由于彈載電子機(jī)箱為短暫性工作，引入儲熱板工藝，將電路熱量儲存而非散出，保證其工作10min時內(nèi)部最高溫度不超過120 ℃。彈艙為密閉空間，內(nèi)部各種電子設(shè)備均發(fā)熱，隨著彈艙溫度不斷升高，電子機(jī)箱向外散熱效率不斷變差。因此考慮在模塊殼體內(nèi)部盡可能多地填充石蠟等儲熱材料(儲熱板)，將電路元器件發(fā)熱量存儲起來，再通過殼體翅片緩慢散熱，減輕彈艙的溫升壓力。通過Icepak軟件仿真計算得到，600 s時模塊上最高溫度為95.8 ℃，滿足機(jī)箱溫升要求，仿真結(jié)果如圖8所示。后續(xù)模塊設(shè)計可通過增大子卡模塊的體積來增強(qiáng)模塊的儲熱性能，進(jìn)一步降低內(nèi)部電路工作溫度，從而保證彈載機(jī)箱的正常運(yùn)行。

圖6 模塊殼體示意

圖7 模塊(均溫板)殼體示意

圖8 模塊(儲熱板)殼體示意

3.3 模塊殼體實驗分析

將機(jī)箱放置于65 ℃的密閉環(huán)境試驗箱中，機(jī)箱全功率工作10 min后停止，采用紅外線測溫儀進(jìn)行測溫。機(jī)箱內(nèi)部模塊殼體分別采用鋁合金、均溫板和儲熱板，其他條件均一致，進(jìn)行對比實驗。在機(jī)箱全功率工作下，隨時間增加，機(jī)箱內(nèi)部溫度上升情況，機(jī)箱內(nèi)部溫升曲線如圖9所示。

由圖9可知，鋁合金模塊的機(jī)箱在全功率工作下，隨著時間變化，發(fā)熱量不斷累積，其溫度不斷升高，600 s時最高測量溫度為143 ℃，與仿真溫升曲線趨勢相同。均溫板模塊的機(jī)箱隨著時間變化，其溫度不斷上升，上升曲線斜率不斷減??；由式(1)可知，內(nèi)外溫差不斷增大，其傳熱效率不斷提高，溫度上升變慢，理論與實際相符；600 s時最高測量溫度為101 ℃，與仿真結(jié)果誤差在5%內(nèi)。儲熱板模塊的機(jī)箱隨著時間變化，其溫度不斷上升，上升曲線斜率不斷增大，與均溫板變化情況相反；儲熱板殼體由內(nèi)部儲熱材料進(jìn)行吸熱，儲熱材料溫度升高，其吸熱效率降低，而熱量只能通過殼體鋁合金接觸散熱，散熱效率較差，熱量累積后機(jī)箱后期溫度上升較快，與實際情況相符；600 s時最高測量溫度為92 ℃，與仿真結(jié)果誤差在5%內(nèi)。因此，針對彈載環(huán)境下的機(jī)箱熱設(shè)計，儲溫板殼體比均溫板殼體和傳統(tǒng)鋁合金殼更滿足其溫度要求。

圖9 機(jī)箱內(nèi)部溫升曲線

4 結(jié)束語

為了滿足彈載電子機(jī)箱所處惡劣的環(huán)境條件，對機(jī)箱框架和內(nèi)部模塊進(jìn)行熱設(shè)計工作。通過散熱的理論和仿真分析，合理分布機(jī)箱表面翅片；通過仿真與實驗相結(jié)合的方式，改善機(jī)箱架構(gòu)提高了機(jī)箱的傳熱效率，對比不同材料的模塊殼體，得到儲溫板殼體比均溫板殼體和傳統(tǒng)鋁合金殼體更滿足彈載機(jī)箱的溫度要求。該方法為后續(xù)各類密閉機(jī)箱的熱設(shè)計，提供了參考和借鑒。