某IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

摘 要：在錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中，如何應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)易爆炸裝置（IED）帶來(lái)的破壞性影響是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案來(lái)減輕或消除這種影響。鑒于此，深入研究了IED干擾裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，對(duì)其中特別重要的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)的可靠性。CFD模擬由仿真軟件Icepak執(zhí)行，提供了溫度梯度云圖，同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，得到了證實(shí)模擬結(jié)果的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。該研究不僅豐富了IED干擾裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞：IED干擾裝置；散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；熱仿真；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TH122""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1671-0797（2025）02-0065-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.016

0""" 引言

IED干擾裝置的核心功能在于通過(guò)發(fā)射特定頻率的電磁波，干擾或阻斷IED的遙控信號(hào)，從而防止其引爆。這一過(guò)程伴隨著高能耗和顯著的熱量產(chǎn)生，對(duì)裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，熱管理技術(shù)的不斷進(jìn)步為解決IED干擾裝置的散熱問(wèn)題提供了新的方案[1]。新技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了散熱效率，還增強(qiáng)了裝置的智能化和自適應(yīng)能力，為提升IED干擾裝置的整體性能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于如何有效地將裝置內(nèi)部產(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)出，并散發(fā)到周圍環(huán)境中，以維持裝置的正常工作溫度。這不僅涉及散熱材料的選擇，還涉及散熱器的設(shè)計(jì)，包括散熱片的形狀、尺寸、布局等[1]。本文從設(shè)計(jì)需求分析入手，詳細(xì)剖析IED干擾裝置的散熱需求，進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Icepak軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取溫度數(shù)據(jù)，確保設(shè)計(jì)的有效性和可靠性[2]。

1""" IED干擾裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，散熱器設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局、散熱材料選擇是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

散熱結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)方面，本方案充分考慮了IED干擾裝置的內(nèi)部空間限制和熱源分布。散熱器整體布置于IED干擾裝置的下方發(fā)熱區(qū)域，確保熱源與散熱器之間的熱路徑最短，提高熱傳遞過(guò)程的導(dǎo)熱效率。同時(shí)，散熱結(jié)構(gòu)的布局還考慮了空氣流動(dòng)的優(yōu)化，通過(guò)合理設(shè)計(jì)風(fēng)道、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，引導(dǎo)冷卻空氣流經(jīng)散熱器翅片，增強(qiáng)了對(duì)流散熱效果。

材料的選擇上，銅和鋁因其優(yōu)異的熱導(dǎo)率而被廣泛應(yīng)用于散熱器制造，但銅的高成本和鋁的較低熱導(dǎo)率又各自帶來(lái)了挑戰(zhàn)[3]?；诔杀究紤]采用高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁合金，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)200 W/（m·K），遠(yuǎn)高于普通金屬材料，既能滿足散熱要求，又保證了經(jīng)濟(jì)性。

散熱器類型的選擇基于對(duì)IED干擾裝置功率消耗和熱流密度的精確計(jì)算。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本方案采用了鋁合金制散熱器，其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和輕量化特性，能夠有效降低熱阻，提升散熱效率。散熱器的翅片設(shè)計(jì)采用了優(yōu)化算法，通過(guò)增加翅片密度和調(diào)整翅片間距，進(jìn)一步提高了散熱面積，增強(qiáng)了散熱器的整體散熱能力。同時(shí)，散熱器上還布置了一系列銅制熱管進(jìn)行導(dǎo)熱，使散熱器受熱更均勻，可更好地提高散熱效率。IED干擾裝置的功放、電源功耗如圖1所示。

在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面，整體散熱結(jié)構(gòu)采用仿煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（有密閉的風(fēng)道包裹散熱器），即熱源、散熱器在底部，并設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，出風(fēng)口設(shè)置在高處，風(fēng)道內(nèi)空氣經(jīng)過(guò)散熱器帶走熱量，沿著升高的風(fēng)道上升，增強(qiáng)了空氣的對(duì)流，形成了煙囪效應(yīng)，如圖2所示。為使煙囪效應(yīng)更明顯，在出風(fēng)口設(shè)置排氣風(fēng)扇，IED散熱裝置位于車體前部，進(jìn)風(fēng)口朝前，即車輛的前進(jìn)方向，更有利于進(jìn)風(fēng)；此外，散熱器整體結(jié)構(gòu)大，散熱齒多，散熱面積大，為方便散熱器均勻受熱并更好地散熱，銅制熱管一端布置于高溫區(qū)，另一端布置于低溫區(qū)，散熱器、熱管布置如圖3所示。散熱器與IED干擾裝置之間涂導(dǎo)熱硅脂，并設(shè)置多處鎖緊螺釘，保證接觸的可靠性。

2""" 散熱仿真計(jì)算及優(yōu)化

IED干擾裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿真過(guò)程中，采用先進(jìn)的熱仿真軟件ANSYS Icepak進(jìn)行分析計(jì)算，旨在通過(guò)精確的數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性[4]。這一過(guò)程不僅涉及對(duì)散熱器幾何形狀、材料屬性及工作環(huán)境的細(xì)致建模，還包括對(duì)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等熱交換機(jī)制的綜合考量。通過(guò)這一系列復(fù)雜的仿真操作，能夠預(yù)測(cè)在實(shí)際運(yùn)行條件下散熱結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)，從而為設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)Icepak的優(yōu)化功能對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以功放最高溫度為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)散熱器翅片厚度、翅片間距及翅片高度三因素進(jìn)行仿真優(yōu)化計(jì)算，綜合考慮散熱器安裝空間、風(fēng)道布置、整機(jī)重量要求以及散熱器加工工藝，確定翅片厚度0.8 mm、間距3.2 mm、高度50 mm為最優(yōu)方案。仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果顯示，在外界環(huán)境溫度40 ℃條件下，基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)風(fēng)量，功放最高溫度53.6 ℃，滿足溫度要求。

3""" 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證仿真的正確性，精心搭建了一個(gè)高度模擬實(shí)際工作環(huán)境的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用先進(jìn)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄散熱結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下的溫度變化，從而獲取了一系列關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)。

首先搭建IED干擾裝置散熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，再分別進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)操作：

1）在室溫（25 ℃）環(huán)境下，IED干擾裝置前向設(shè)備安裝散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行滿功率工作散熱實(shí)驗(yàn)。

使用溫度計(jì)和設(shè)備內(nèi)部的溫度傳感器測(cè)量當(dāng)前環(huán)境溫度，并記錄此時(shí)起始溫度值與起始時(shí)間，再開啟IED干擾裝置滿功率工作，時(shí)刻監(jiān)控功放模塊發(fā)熱情況，并記錄功放模塊溫度值和運(yùn)行時(shí)間，直到所有功放模塊溫度達(dá)到恒溫后再關(guān)閉IED所有通道，再次記錄功放模塊溫度值和到達(dá)恒定溫度時(shí)間，此時(shí)檢測(cè)到的功放模塊最高溫度為37 ℃，遠(yuǎn)低于功放模塊容許值85 ℃的要求。

2）在高溫（40 ℃）環(huán)境下，IED干擾裝置前向設(shè)備和后向設(shè)備分別安裝散熱器進(jìn)行滿功率工作散熱實(shí)驗(yàn)。

在高溫散熱實(shí)驗(yàn)開始前，需要將IED干擾裝置放置在高溫實(shí)驗(yàn)房至少2 h，當(dāng)設(shè)備到達(dá)恒定溫度時(shí)，記錄設(shè)備起始溫度值和起始時(shí)間，然后開啟IED干擾裝置滿功率工作，時(shí)刻監(jiān)控功放模塊發(fā)熱情況，并記錄功放模塊溫度值和運(yùn)行時(shí)間，直到所有功放模塊溫度達(dá)到恒溫后再關(guān)閉IED所有通道，再次記錄功放模塊溫度值和到達(dá)恒定溫度時(shí)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

在40 ℃高溫環(huán)境下，IED干擾裝置所有功放滿功率工作約40 min到達(dá)恒溫狀態(tài)，工作170 min內(nèi)最高溫度值為52 ℃，最高溫升為12 ℃，如表1所示。

表1對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)的有效性及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

4""" 結(jié)論

本文對(duì)IED干擾裝置的散熱進(jìn)行了比較詳盡的結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)，三維立體建模，并用Icepak仿真軟件進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，同時(shí)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)綜合評(píng)估，該散熱結(jié)構(gòu)性能可靠。本文的研究可為以后IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，確保裝置的安全、可靠運(yùn)行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣金興.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.

[2] 李慶友，王文，周根明.電子元器件散熱方法研究[J].電子器件，2005，28（4）：937-941.

[3] 黃南，溫志強(qiáng)，榮智林，等.VC技術(shù)在半導(dǎo)體熱管理應(yīng)用的性能研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（7）：143-147.

[4] 尤江，欒鵬文.基于Icepak的電子設(shè)備熱分析與改進(jìn)[J].建筑電氣，2012，31（11）：58-63.

收稿日期：2024-09-19

作者簡(jiǎn)介：蔣知信（1985—），男，安徽濉溪人，工程碩士，工程師，研究方向：機(jī)械工程。