劉 巍，王 娟

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 合肥天鵝制冷科技有限公司， 安徽 合肥 230051)

風冷散熱器的減重設計方法對比研究*

劉 巍1，王 娟2

(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 合肥天鵝制冷科技有限公司， 安徽 合肥 230051)

以某型機載雷達電子設備機箱為研究對象，應用ICEPAK熱仿真軟件，對散熱器的2種減重設計方法(增大翅片間距和減小翅片高度)進行了對比分析。結(jié)果表明：在散熱器減重相同的情況下，采取增大翅片間距的方法更有利于控制發(fā)熱元件的溫升；風冷系統(tǒng)中并聯(lián)的2個散熱器存在依附關(guān)系，任何一個散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸變化，都會影響另一個散熱器的散熱性能。

強迫風冷；散熱器；減重；熱設計

引 言

強迫風冷以其結(jié)構(gòu)可靠、重量輕、冷卻介質(zhì)(空氣)容易獲得等優(yōu)勢，成為直升機、無人機等輕型機載雷達電子設備的主要散熱方式之一。機載雷達在體積、重量以及耗電量方面都受到嚴格的限制，加之又工作在嚴酷的熱環(huán)境和力學環(huán)境之下，因此其熱設計和結(jié)構(gòu)設計的要求就更高[1]。電子設備強迫風冷系統(tǒng)設計的依據(jù)是在額定的耗散功率下，力求使用最小的驅(qū)動功率，使元器件溫度低于允許的安全工作溫度，以確保電子器件的壽命。

強迫風冷系統(tǒng)主要由機箱、風機和散熱器等部件組成。受雷達結(jié)構(gòu)和重量的制約，在保證發(fā)熱元件(T/R組件、電源等)在允許的安全溫度內(nèi)工作的前提下，散熱系統(tǒng)的重量和體積要盡可能小。散熱器是風冷系統(tǒng)中最重的結(jié)構(gòu)件，為了減輕機載雷達的重量，保證散熱系統(tǒng)正常工作，往往需要對散熱器進行減重設計，調(diào)整散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸(如翅片高度[2]，翅片數(shù)量[3-4]等)，使散熱和減重效果得到合理的匹配。當散熱器重量減輕時，散熱面積會減小，發(fā)熱元件的溫度一般會升高。散熱器的重量下降幅度越大，發(fā)熱元件的溫升越少，則散熱器的減重優(yōu)化設計效果就越好。

本文利用熱仿真方法，對某型無人機機載雷達電子設備的強迫風冷系統(tǒng)進行了熱分析，對2種不同的減重設計方法進行了比較，找到了散熱器減重多、發(fā)熱元件溫升少的散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，可為風冷散熱器的減重設計提供參考。

1 機載雷達電子設備機箱的熱設計

天線陣面的整體外形如圖1、圖2所示。T/R組件、陣面電源等主要發(fā)熱器件安裝在機箱內(nèi)部，機箱的外形尺寸為680 mm × 260 mm × 60 mm，機箱內(nèi)T/R組件的熱耗為216 W，陣面電源的熱耗為90 W，其他元器件的熱耗為30 W，總熱耗為336 W。為了滿足散熱需求，受機箱結(jié)構(gòu)和空間的制約，強迫風冷系統(tǒng)中共采用了9個EBM直流風機，其安裝方式如圖1所示。9個風機等間距排列在安裝面板上，邊緣的風機與邊框的距離為30 mm，風機型號為412JHH，單個風機重50 g，風機外形尺寸為40 mm × 40 mm × 25 mm。如圖2所示，通風口位于與風機安裝面平行的機箱面板上，通風口的長、寬尺寸分別為640 mm和20 mm。

圖1 天線陣面的外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 通風口的結(jié)構(gòu)圖

圖3為機箱內(nèi)風冷散熱系統(tǒng)的原理圖。T/R組件和電源分別與散熱器成一體化結(jié)構(gòu)。T/R組件的散熱器高20 mm，翅片厚1 mm，相鄰翅片的間距為3 mm；電源的散熱器高15 mm，其翅片厚度和相鄰翅片間距與T/R組件的散熱器相同。風機的送風形式為吹風，風機以一定速度將空氣送入機箱內(nèi)，流過T/R組件和電源的散熱器，與散熱器進行換熱，最后從機箱上的出風口流出，回到環(huán)境大氣中。風機的性能曲線如圖4所示，橫坐標為風量，縱坐標為風壓，最大風量為24 m3/h。

圖3 強迫風冷系統(tǒng)的原理圖

圖4 412JHH風機的性能曲線圖

2 熱仿真分析和計算

采用專業(yè)的電子產(chǎn)品熱分析軟件ICEPAK對天線陣面的風冷系統(tǒng)進行建模和分析。對圖1中的機箱模型進行適當?shù)暮喕?，忽略對仿真結(jié)果沒有明顯影響的部分結(jié)構(gòu)，如機箱上的凸緣、螺釘、倒角等。風機模型利用軟件庫中的fans建立，將圖4中的風機性能曲線加載進去。最終的熱仿真模型如圖5所示，深色部分是電源和T/R組件的散熱器，發(fā)熱元件安裝在散熱器的背板上，按前述結(jié)構(gòu)布局建模，兩者的散熱翅片相向安裝，形成閉合的風道。風機安裝在機箱的側(cè)板上，安裝面與散熱器的翅片垂直，以便氣流能流過由2個散熱器組成的風道，風機安裝面與散熱器的距離為10 mm。網(wǎng)格劃分采用Hexa unstructured非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格類型，求解采用CFD求解器[5]。

圖5 熱仿真模型圖

在常壓條件下，環(huán)境溫度為55 ℃。按圖5所示的仿真模型進行熱仿真計算。T/R組件內(nèi)發(fā)熱元件的溫度分布云圖如圖6所示，電源內(nèi)發(fā)熱元件的溫度分布云圖如圖7所示。

圖6 T/R組件的溫度分布云圖

圖7 電源的溫度分布云圖

從仿真結(jié)果可知，T/R組件的最高殼體溫度為73.9 ℃，遠低于T/R元件的最高安全溫度85 ℃；電源的最高殼體溫度為68.9 ℃，也低于電源允許的最高安全溫度80 ℃。由此可見，發(fā)熱元件的溫升余量較大，可以適當減輕散熱器的重量，增大發(fā)熱元件的溫升。

下面分別采用減少翅片數(shù)量和降低翅片高度的方法，對2個散熱器進行減重設計，并對減重后的風冷系統(tǒng)進行熱分析，比較2種方法的優(yōu)劣。

3 不同散熱器結(jié)構(gòu)組合的比較

為了比較散熱器的翅片數(shù)量減少、翅片高度降低對系統(tǒng)散熱性能的影響，在仿真計算中，只改變散熱器的翅片高度和間距，風冷系統(tǒng)中的其他條件均不變(包括散熱器高度降低時，散熱器、T/R組件、電源與風機的相對位置)，設計了4個不同的散熱器尺寸，加上原模型，一共有5個不同的散熱器組合。

3.1 T/R組件散熱器結(jié)構(gòu)尺寸變化的情形

保持電源散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸不變，分別改變T/R組件散熱器的翅片高度和間距，比較T/R組件散熱器結(jié)構(gòu)尺寸的變化對風冷系統(tǒng)散熱性能的影響，散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化見表1。

表1 不同的T/R組件散熱器組合的結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：重量比為現(xiàn)有翅片總重量與原翅片總重量之比。

按表1中的散熱器組合，對仿真模型中散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行相應的調(diào)整，然后進行熱仿真計算。以表1中的序號為橫坐標，分別以T/R組件和電源的溫度為縱坐標，如圖8和圖9所示。

圖8 不同散熱器尺寸下T/R組件的溫度曲線圖

在表1序號為1、2、3的組合中，僅T/R組件散熱器的翅片間距變大，分別為3 mm、4 mm、6 mm，翅片數(shù)量減少，散熱面積減小，T/R組件溫度升高，如圖8所示。

圖9 不同散熱器尺寸下電源的溫度曲線圖

在表1序號為4、5的組合中，電源散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸不變，降低T/R組件散熱器的翅片高度。其中，序號2和4中T/R組件散熱器的減重比例相同，減重百分比均為20%；序號3和5中T/R組件散熱器的減重比例相同，百分比均為43%。根據(jù)圖8的仿真結(jié)果，對比序號2和4、序號3和5可知：當散熱器的減重效果相同時，序號2、3中翅片間距增大后，T/R組件的溫升要低于序號4、5中翅片高度降低后的溫升，即在散熱器的減重設計中，采用增大翅片間距的設計方法更有利于控制發(fā)熱元件的溫升。

電源散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸沒有變化，但電源的溫度也會受到T/R組件散熱器結(jié)構(gòu)變化的影響，只是電源的溫升波動范圍較小，僅在1 ℃以內(nèi)，如圖9所示。所以在整個風冷系統(tǒng)中，其中一個散熱器的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，另一個散熱器的散熱性能也會受到影響。

3.2 電源散熱器結(jié)構(gòu)尺寸變化的情形

保持T/R組件散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸不變，分別改變電源散熱器的翅片高度和間距，比較電源散熱器結(jié)構(gòu)尺寸的變化對風冷系統(tǒng)散熱性能的影響，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 不同電源散熱器組合的結(jié)構(gòu)參數(shù)

按表2中的散熱器組合，對仿真模型中散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行相應的調(diào)整，然后進行熱仿真計算。以表2中的序號為橫坐標，分別以電源和T/R組件的溫度為縱坐標，如圖10和圖11所示。

圖10 不同散熱器尺寸下電源的溫度曲線圖

圖11 不同散熱器尺寸下T/R組件的溫度曲線圖

在表2序號為1、2、3的組合中，僅增加電源散熱器的翅片間距，分別為3 mm、4 mm、6 mm，相應的翅片數(shù)量減少，散熱面積減小，電源溫度升高，如圖10所示。同樣，T/R組件的溫度也會受到電源散熱器結(jié)構(gòu)變化的影響，溫度會略有升高，溫升范圍在1 ℃以內(nèi)，如圖11所示。

在表2序號為4、5的組合中，僅降低電源散熱器的翅片高度，其中序號2和4中電源散熱器的減重比例相同，減重百分比均為20%，序號3和5中電源散熱器的減重比例相同，百分比均為43%。根據(jù)圖10的仿真結(jié)果，對比序號2和4、序號3和5可知：當散熱器的減重效果相同時，序號2、3中增大翅片間距后，電源的溫升要低于序號4、5中降低翅片高度后的溫升，即增大翅片間距的方法更優(yōu)，所得結(jié)論與3.1節(jié)相同。

T/R組件的溫度也會受到電源散熱器結(jié)構(gòu)變化的影響，翅片高度降低對T/R組件散熱的影響要大于翅片間距增大的影響，且溫差達到5 ℃。這是由于T/R組件的熱耗大于電源的熱耗，當散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸變化時，T/R組件的溫度變化范圍也相應較大。

綜上所述，在風冷散熱器的減重設計中，要保證發(fā)熱元件的溫升少受影響，采取增大翅片間距的方法，達到的減重和散熱效果要好于降低翅片高度的方法。風冷系統(tǒng)中并聯(lián)的2個散熱器存在依附關(guān)系，即任何一個散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸變化都會影響另一個散熱器的散熱性能。

4 結(jié)束語

以某型機載雷達電子設備機箱為研究對象，對比研究了減少散熱器翅片數(shù)量和降低翅片高度2種減重設計方法。結(jié)果表明：在散熱器減重相同的情況下，增大翅片間距的方式更有利于控制發(fā)熱元件的溫升；整個風冷系統(tǒng)并聯(lián)的2個散熱器中，任意一個的結(jié)構(gòu)尺寸變化都會影響另一個的散熱性能，影響程度與熱耗有關(guān)。

[1] 張輝. 某機載雷達風冷機箱設計研究[D]. 南京：南京理工大學, 2013.

[2] 張向南, 張彥軍, 盧芳. 空冷器板翅式傳熱元件翅片高度的優(yōu)化計算[J]. 壓力容器, 2014, 31(7): 22-27.

[3] 劉建勇, 李靜. 翅片間距對新型翅片管換熱性能影響的數(shù)值模擬[J]. 冶金能源, 2009, 28(6): 23-26.

[4] 曹景富. 翅片間距對熱沉散熱功率的影響研究[J]. 煙臺大學學報, 2012, 25(1): 44-48.

[5] 張學新. 某地面電子設備的熱設計[J]. 電子機械工程, 2014, 30(4): 8-11.

劉 巍(1980-)，男，博士，工程師，主要從事雷達電子設備熱設計工作。

Comparison of Weight Decrease Methods of Heat Radiator in Air Cooling System

LIU Wei1，WANG Juan2

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China；2.HefeiSwanRefrigerationScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Hefei230051,China)

Two methods of decreasing the weight of the heat radiator in the forced air cooling system of the airborne radar (increasing the space between fins and decreasing the height of the fins) are compared and analyzed with the thermal simulation software ICEPAK in this paper. The results show that with the same weight decreased, increasing the space between fins is more effective to control the temperature rise of the heat units; the two heat radiators connected in parallel in the air cooling system affect each other, that is, when the structure and dimension of one heat radiator change, the heat transfer capacity of the other heat radiator will be affected.

forced air cooling; heat radiator; weight decrease; thermal design

2015-06-23

TK414.2+12

A

1008-5300(2015)05-0015-04