劉新博，李兵強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

?

某數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉新博，李兵強(qiáng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

某數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中發(fā)熱問題比較突出，為此設(shè)計(jì)了一種模塊化拼接式強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)，既具有良好的散熱能力，同時(shí)兼顧機(jī)載設(shè)備減重、鹽霧、濕熱、振動(dòng)及電磁兼容等方面環(huán)境適應(yīng)性要求。設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用熱仿真軟件，建立了整機(jī)的熱仿真模型，分析了常溫和高溫工作時(shí)設(shè)備散熱性能。設(shè)備樣機(jī)順利通過了高溫摸底試驗(yàn)，表明該散熱結(jié)構(gòu)方案有效可行。

機(jī)載電子設(shè)備；熱仿真；強(qiáng)迫風(fēng)冷

0 引 言

隨著機(jī)載電子設(shè)備集成化程度的不斷提高，散熱成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在某型數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備的研制過程中，由于安裝條件的約束，需要設(shè)計(jì)體積為220(W)×194(H)×400(L)(單位mm)、重量小于15 kg、熱耗預(yù)估為602 W的數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，充分考慮機(jī)載設(shè)備減重、鹽霧、濕熱、振動(dòng)及電磁兼容等方面的要求，以解決散熱問題為第一目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種散熱性能比較優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)有2種：一種是積木拼裝式機(jī)箱結(jié)構(gòu)；另一種是以現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(LRM)為基礎(chǔ)單元的綜合集成式機(jī)箱結(jié)構(gòu)[1]。積木拼裝式機(jī)箱結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于第2代聯(lián)合式航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)，具有良好的自然散熱性能，減重設(shè)計(jì)較好實(shí)現(xiàn)，但各模塊的獨(dú)立性不高，模塊之間多以電纜連接，維修性差。綜合集成式機(jī)箱結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于第4代綜合式航電系統(tǒng)，集成度高，維修性好，但箱體以及各LRM 的外殼使設(shè)備重量增加，散熱效果較差，抗高強(qiáng)度沖振性方面也面臨挑戰(zhàn)[2-4]。

本數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備充分借鑒了前述2種傳統(tǒng)機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)思想是：整機(jī)參考標(biāo)準(zhǔn)航空機(jī)載機(jī)箱(ATR)的尺寸和安裝使用要求，應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，各功能模塊采用傳統(tǒng)風(fēng)冷式的非標(biāo)LRM模塊，以混裝母板作為信號(hào)交聯(lián)中樞，以軸流風(fēng)機(jī)作為冷卻風(fēng)源，各模塊以積木拼裝式結(jié)構(gòu)組合成間接強(qiáng)迫風(fēng)冷屏蔽機(jī)箱。

設(shè)備組成包括接口轉(zhuǎn)接單元、收發(fā)處理單元、信息處理單元、電源處理單元、射頻處理單元和風(fēng)冷散熱單元6個(gè)模塊。接口轉(zhuǎn)接單元前面板為設(shè)備對(duì)外接口，與平臺(tái)相連。風(fēng)冷散熱單元為整機(jī)提供冷卻風(fēng)源，同時(shí)提供整機(jī)定位安裝面。

電源處理單元、信息處理單元、收發(fā)處理單元和射頻處理單元均設(shè)計(jì)為通風(fēng)腔式密封屏蔽結(jié)構(gòu)，通過接口轉(zhuǎn)接單元進(jìn)行信號(hào)傳輸。模塊之間通過高速混裝連接器連接，實(shí)現(xiàn)了盲插，通過互相插合緊固實(shí)現(xiàn)電氣和機(jī)械連接同步到位，同時(shí)模塊間形成散熱風(fēng)道，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、電氣、散熱的緊耦合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式具有體積小、重量輕、散熱好、抗振性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 熱設(shè)計(jì)

(1) 整體設(shè)計(jì)

整機(jī)散熱功耗預(yù)估602 W，各模塊熱耗如表1所示。考慮到射頻處理單元的熱耗占整機(jī)的熱耗比例高，并且發(fā)熱大都集中在功率管上，設(shè)計(jì)時(shí)將設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱分為兩部分，射頻處理單元單獨(dú)為一部分自帶風(fēng)機(jī)散熱，電源處理單元、信息處理單元和收發(fā)處理單元作為另一部分加風(fēng)機(jī)散熱(這部分總稱為主機(jī)單元)。設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

表1 設(shè)備各模塊熱耗表

(2) 風(fēng)道設(shè)計(jì)

(a) 射頻處理單元風(fēng)道設(shè)計(jì)

射頻處理單元采用自帶風(fēng)機(jī)間接強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，風(fēng)道設(shè)計(jì)在模塊外側(cè)，與內(nèi)部電路組件安裝空間隔離。對(duì)模塊內(nèi)部器件合理布局，將發(fā)熱量小的組件進(jìn)行組合，盡量為功率管背腔風(fēng)道留出空間進(jìn)行風(fēng)道設(shè)計(jì)。風(fēng)道內(nèi)散熱齒高度29 mm，基底厚度2 mm。散熱齒間距6 mm，齒底寬2 mm，齒頂寬1.2 mm。風(fēng)扇嵌入到散熱器中安裝以節(jié)省空間，風(fēng)機(jī)為吹風(fēng)安裝形式，出風(fēng)口在射頻處理單元的后部。射頻處理單元內(nèi)部風(fēng)道如圖3所示。

(b) 主機(jī)單元風(fēng)道設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)備的密封性和電磁屏蔽性，將主機(jī)單元設(shè)計(jì)成獨(dú)立密封屏蔽的結(jié)構(gòu)形式，模塊兩側(cè)面作為散熱冷板，冷板表面根據(jù)風(fēng)阻特性加工一定高度的散熱齒，兩模塊貼合后形成1組冷卻風(fēng)道。在設(shè)備后部安裝有軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為抽風(fēng)安裝形式。冷卻氣流從設(shè)備上部和下部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道，從設(shè)備后部出風(fēng)口經(jīng)風(fēng)機(jī)流出，帶走設(shè)備熱量。主機(jī)單元后部加裝風(fēng)機(jī)為電源處理單元、信息處理單元和收發(fā)處理單元提供冷卻風(fēng)源。

電源處理單元、信息處理單元和收發(fā)處理單元3個(gè)模塊拼接形成2個(gè)風(fēng)道，風(fēng)道寬度10 mm。散熱冷板上設(shè)計(jì)厚度1 mm、間隔5 mm的散熱齒以增大散熱面積。風(fēng)道中的散熱冷板設(shè)計(jì)形式相似，各模塊的主機(jī)單元風(fēng)道設(shè)計(jì)如圖4所示。

電源處理單元發(fā)熱器件主要是電源模塊。電源模塊散熱面緊貼電源處理單元?dú)んw的側(cè)壁，側(cè)壁外側(cè)加工散熱齒。電源處理單元熱耗190 W，占主機(jī)單元熱耗的54%，散熱齒高度7 mm。信息處理單元位置在3個(gè)模塊中間，其熱耗占比較小，且分為2個(gè)側(cè)壁散熱，與電源處理單元貼合面散熱齒高度為2 mm，與收發(fā)處理單元貼合面散熱齒高度3 mm。收發(fā)處理單元散熱齒高度為6 mm。

(3) 風(fēng)機(jī)選型

風(fēng)機(jī)選型包括射頻處理單元的風(fēng)機(jī)和主機(jī)單元的風(fēng)機(jī)2種。本文著重闡述主機(jī)單元風(fēng)機(jī)的選型。

主機(jī)單元熱耗為352 W，由公式(1)計(jì)算設(shè)備所需風(fēng)量：

(1)

式中：Qf為體積流量(m3/s)；Pr為模塊熱耗(W)；cp為空氣比熱容(J/(kg·℃)),標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫25 ℃下取1 005 J/(kg·℃)；ρ為空氣密度(kg/m3)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫25 ℃下取1.169 kg/m3；T為進(jìn)出口溫差，此處取10 ℃。

根據(jù)風(fēng)量要求及設(shè)備風(fēng)道流阻特性曲線，選擇風(fēng)機(jī)4412FNH，風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)表

(4) 熱仿真

仿真分析采用專業(yè)電子設(shè)備熱分析軟件FLOTHERM。為精確分析設(shè)備散熱能力，對(duì)設(shè)備三維模型進(jìn)行簡化，將模塊進(jìn)出風(fēng)口用通風(fēng)板代替，并去掉了模塊結(jié)構(gòu)模型中的圓角、螺孔等幾乎不影響散熱又會(huì)引起網(wǎng)格數(shù)量劇增的小特征[5]。簡化后的模型導(dǎo)入熱分析軟件FLOTHERM如圖5所示。

根據(jù)功耗預(yù)估，對(duì)各個(gè)模塊的發(fā)熱源設(shè)置相應(yīng)的發(fā)熱功率，熱仿真模型網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)風(fēng)扇及風(fēng)道區(qū)域網(wǎng)格加密，通過局域化網(wǎng)格邊界限制網(wǎng)格最大長寬比，劃分完成后，模型總網(wǎng)格數(shù)約為312.2萬，最大長寬比為11。仿真模型模塊殼體材料設(shè)定為AL6061。

根據(jù)風(fēng)機(jī)的特性參數(shù)及設(shè)備風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模，計(jì)算風(fēng)機(jī)流阻特性與設(shè)計(jì)的散熱風(fēng)道流阻特性的匹配情況。設(shè)備風(fēng)冷散熱冷卻風(fēng)流分布圖如圖6所示，風(fēng)機(jī)實(shí)際工作流阻特性如圖7所示。

仿真環(huán)境溫度設(shè)置為常溫25 ℃和高溫55 ℃。仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

仿真云圖中，左側(cè)圖為設(shè)備整機(jī)水平截面圖，以射頻處理單元中功率管位置為參考。右圖為沿各個(gè)模塊長度方向的縱截面圖，以各模塊中熱敏感元器件的位置為參考。

(5) 仿真結(jié)果分析

根據(jù)圖示可以看出，各個(gè)風(fēng)道的散熱齒間風(fēng)量分布比較均勻。各風(fēng)道功耗占比及風(fēng)量占比如表3所示。

表3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，最高溫度在射頻處理單元功率管處，最高溫度為68.2 ℃，其余模塊溫度基本在50 ℃以下。環(huán)境溫度55 ℃時(shí)，射頻處理單元以50%占空比工作，設(shè)備最高溫度同樣在射頻處理單元功率管處，最高溫度為97.7 ℃。除射頻處理單元溫度較高外，其余模塊溫度基本在80 ℃以下。

設(shè)備中收發(fā)處理單元的熱敏感元器件為功率管，結(jié)溫225 ℃；信息處理單元的熱敏感元器件為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，結(jié)溫125 ℃；電源模塊熱敏感元器件為電源模塊，結(jié)溫105 ℃。由此可以看出熱設(shè)計(jì)滿足設(shè)備的工作環(huán)境要求。

3 結(jié)束語

某型數(shù)據(jù)鏈機(jī)載設(shè)備熱耗高，要求體積小、重量輕。根據(jù)以往機(jī)載平臺(tái)電子設(shè)備的2種結(jié)構(gòu)形式，綜合兩者長處，設(shè)計(jì)了一種緊耦合的模塊化強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)形式，解決了設(shè)備高熱耗的散熱問題。

設(shè)備已研制樣機(jī)，并通過了高溫摸底試驗(yàn)。強(qiáng)迫風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了設(shè)計(jì)要求。這種結(jié)構(gòu)形式還具有抗振性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)其他機(jī)載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

[1] 曾瑞.LRM模塊及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[J].電子機(jī)械工程，2007，23(4)：1-5.

[2] 邱成悌，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.

[3] STEINBERG D S.電子設(shè)備冷卻技術(shù)[M].李明鎖，丁其伯譯.北京:航空工業(yè)出版社，2012.

[4] 丁連芬.電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社，1989.

[5] 李波.Flotherm軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2008，24(3)：11-13.

DesignofForcedAirCoolingStructureforACertainDataLinkAirborneEquipment

LIU Xin-bo,LI Bing-qiang
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

The heating problem of a certain data link airborne equipment is more outstanding in the process of structural design,so this paper designs a modular forced air cooling box structure of splicing type,which has good radiating ability,and takes into account the environmental adaptability requirements such as weight reduction,salt spray,humidity,vibration and electromagnetic compatibility,etc..During the design process,the thermal simulation software is used to establish the thermal simulation model of the whole equipment and the radiating ability of the equipment in the working course of normal temperature and high temperature is analyzed.The prototype of the equipment has passed the test of high temperature thoroughly,which shows that the structure is feasible and effective.

airborne electronic equipment;thermal simulation;forced air cooling

2017-04-17

TN03

：A

：CN32-1413(2017)03-00109-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.026