(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

風(fēng)腔厚度對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)散熱性能的影響

劉 巍,程 林

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

以某雷達(dá)天線單元為研究對(duì)象,采用Icepak熱仿真軟件,研究了風(fēng)腔厚度對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)散熱性能的影響。結(jié)果表明:風(fēng)腔厚度對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱性能有明顯影響;保持風(fēng)機(jī)型號(hào)和散熱器結(jié)構(gòu)不變,當(dāng)風(fēng)腔厚度過小時(shí),風(fēng)機(jī)的性能受到明顯抑制;隨著風(fēng)腔厚度的增加,風(fēng)機(jī)的性能會(huì)變好,發(fā)熱元件的溫度明顯降低;當(dāng)風(fēng)腔厚度達(dá)到一定值后再繼續(xù)增加時(shí),風(fēng)機(jī)的性能反而會(huì)下降,發(fā)熱元件的溫度也相應(yīng)升高。在工程設(shè)計(jì)中,推薦此類風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的風(fēng)腔厚度取值不小于16 mm,不大于40 mm。

雷達(dá);強(qiáng)迫風(fēng)冷;風(fēng)腔;熱設(shè)計(jì)

0 引 言

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱是雷達(dá)電子設(shè)備的主要散熱方式之一。在雷達(dá)的風(fēng)冷機(jī)箱[1]、風(fēng)冷天線單元等設(shè)備中,散熱系統(tǒng)主要由風(fēng)腔、風(fēng)機(jī)和散熱器等部件組成。強(qiáng)迫風(fēng)冷[2]系統(tǒng)中,風(fēng)機(jī)所受的阻力越小,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量就越大,風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱性能也會(huì)相應(yīng)地提升,因此,減小系統(tǒng)的風(fēng)阻是提高風(fēng)冷系統(tǒng)散熱性能的有效途徑之一。

帶有風(fēng)腔的風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中,風(fēng)腔是連接散熱器和風(fēng)機(jī)的橋梁。風(fēng)機(jī)的長寬尺寸通常小于風(fēng)腔的尺寸,所以氣流由風(fēng)腔流入風(fēng)機(jī)時(shí),截面突然收窄,氣流方向會(huì)產(chǎn)生突變,風(fēng)腔的厚度越短,氣流的方向變化就越多,產(chǎn)生的局部阻力就越大;風(fēng)腔的厚度越長,氣流方向的變化越趨于平緩,產(chǎn)生的局部阻力就越小。因此,在其他條件不變的情況下,風(fēng)機(jī)能否發(fā)揮出最佳性能,完全取決于風(fēng)腔的厚度。本文利用熱仿真方法,針對(duì)某型雷達(dá)天線單元的風(fēng)冷系統(tǒng),通過改變風(fēng)腔的厚度來研究風(fēng)腔厚度對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響,為電子設(shè)備的風(fēng)冷熱設(shè)計(jì)提供參考。

1 天線單元的風(fēng)冷系統(tǒng)

天線單元的結(jié)構(gòu)如圖1所示,風(fēng)冷系統(tǒng)主要由散熱器、風(fēng)腔、風(fēng)機(jī)組成,發(fā)熱元件為T/R組件和多功能板,總熱耗約129 W,天線單元的長寬尺寸為180 mm×156 mm。散熱器與安裝板采用一體化設(shè)計(jì),受到整體結(jié)構(gòu)布局的限制,系統(tǒng)中采用了1個(gè)EBM直流風(fēng)機(jī),型號(hào)為8214JN,外形尺寸為80 mm×80 mm×38 mm,風(fēng)機(jī)采用向外抽風(fēng)的形式[3]。

圖1 天線單元的外形結(jié)構(gòu)

散熱器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,散熱器與安裝板為一體化設(shè)計(jì),散熱器位于安裝板的上下兩端,發(fā)熱元件的熱量通過凸臺(tái)傳導(dǎo)至安裝板上,再經(jīng)由安裝板傳導(dǎo)至散熱器,散熱器內(nèi)的空氣流向?yàn)榍昂筮M(jìn)出風(fēng),其中凸臺(tái)高7 mm,安裝板的厚度為5 mm,散熱器的翅片長30 mm、高16 mm、翅片厚度1 mm、間距3 mm。

圖2 散熱器的結(jié)構(gòu)

風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)如圖3所示,一側(cè)連接散熱器的出風(fēng)口,將其密封起來,然后引向風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)安裝在另一側(cè),安裝口大小與風(fēng)機(jī)的尺寸一致,風(fēng)腔內(nèi)部是中空的,風(fēng)腔厚度(不計(jì)壁厚)為d。

風(fēng)機(jī)的性能曲線如圖4所示,圖中V代表風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,P代表風(fēng)機(jī)的全壓,其最大風(fēng)量為130 m3/h,最大全壓值為280 Pa,風(fēng)機(jī)的性能曲線分1,2,3段,當(dāng)風(fēng)機(jī)的全壓變化時(shí),2段中風(fēng)機(jī)的風(fēng)量變化最明顯,1段其次,3段中風(fēng)量受全壓變化的影響較小。下節(jié)通過熱仿真來分析不同的風(fēng)腔厚度對(duì)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)和發(fā)熱元件溫度的影響。

圖3 風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)

圖4 8214JN風(fēng)機(jī)的性能曲線

2 熱仿真分析和計(jì)算

仿真計(jì)算采用Icepak商業(yè)軟件對(duì)天線陣面的風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析,Icepak軟件是專業(yè)的電子產(chǎn)品熱分析軟件,對(duì)圖1中的機(jī)箱模型進(jìn)行適當(dāng)簡化,忽略對(duì)仿真結(jié)果沒有明顯影響的部分結(jié)構(gòu),如機(jī)箱上的凸緣、螺釘、倒角等,風(fēng)機(jī)模型利用軟件庫中的fans建立,properties,fan flow,Non-linear,load,將圖4中的風(fēng)機(jī)性能曲線加載進(jìn)去。最終的熱仿真模型如圖5所示,網(wǎng)格劃分采用Hexa unstructured網(wǎng)格類型,求解采用CFD求解器[4-5]。

為了比較風(fēng)腔厚度對(duì)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)性能的影響,仿真計(jì)算中設(shè)計(jì)了12個(gè)不同的腔體厚度尺寸,分別為6,10,14,18,22,26,30,34,38,42,46和50 mm。常壓條件下,環(huán)境溫度為55℃。按圖5的仿真模型,分別對(duì)上述12個(gè)不同腔體厚度d的情形進(jìn)行仿真計(jì)算,比較不同d下的風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)機(jī)的全壓和發(fā)熱元件的最高溫度,從而得出風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱性能對(duì)比結(jié)果。

圖5 熱仿真模型圖

首先是風(fēng)機(jī)風(fēng)量的比較,計(jì)算結(jié)果表示成風(fēng)機(jī)的風(fēng)量V隨著風(fēng)腔厚度d變化的關(guān)系曲線圖,如圖6所示。當(dāng)風(fēng)腔的厚度為6 mm時(shí),風(fēng)機(jī)的風(fēng)量約為67 m3/h,當(dāng)風(fēng)腔厚度為18 mm時(shí),風(fēng)量達(dá)到了112 m3/h,增加了70%,再繼續(xù)增加風(fēng)腔厚度時(shí),風(fēng)量的增幅趨于平緩,之后風(fēng)量的變化趨勢(shì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn),風(fēng)量的最大值出現(xiàn)在風(fēng)腔厚度為30 mm時(shí)?？梢?當(dāng)風(fēng)腔厚度較小時(shí),風(fēng)腔厚度的變化對(duì)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量有明顯影響,當(dāng)風(fēng)腔厚度達(dá)到30 mm時(shí),再繼續(xù)增加風(fēng)腔厚度,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量反而略有下降。

圖6 風(fēng)機(jī)的風(fēng)量隨d的變化曲線

圖7是風(fēng)機(jī)的全壓P隨著風(fēng)腔厚度d變化的曲線圖。對(duì)比圖6和圖7可見,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和全壓隨著風(fēng)腔厚度d的變化趨勢(shì)是一致的,都是在d=30 mm處出現(xiàn)拐點(diǎn),在d=40 mm處風(fēng)量減小,全壓增大。但風(fēng)機(jī)風(fēng)量和全壓的變化幅度不一樣,風(fēng)機(jī)全壓值的變化幅度明顯高于風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化幅度,這是因?yàn)轱L(fēng)腔厚度d分別為30 mm和40 mm時(shí),風(fēng)機(jī)的性能處于圖4中的3段區(qū)。

圖7 風(fēng)機(jī)的全壓P隨d的變化曲線

圖8為風(fēng)腔厚度不同時(shí)發(fā)熱元件的最高溫度值變化圖,溫度在3℃的范圍內(nèi)變化,它的變化規(guī)律大體上是隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加而降低的,當(dāng)風(fēng)腔厚度較薄時(shí),增加風(fēng)腔的厚度,風(fēng)機(jī)的全壓降低,風(fēng)量顯著增加,發(fā)熱元件的溫度也明顯下降。原因主要是風(fēng)腔厚度較小時(shí),風(fēng)腔的腔體截面積收縮產(chǎn)生的局部阻力過大,而局部阻力是組成風(fēng)機(jī)全壓的一部分,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全壓較大,使得風(fēng)機(jī)的效率低下;隨著風(fēng)腔厚度的增加,局部阻力減小,風(fēng)機(jī)全壓也隨之減小,風(fēng)機(jī)性能提高,風(fēng)量增大,當(dāng)風(fēng)腔厚度增加到一定程度時(shí),由于風(fēng)腔的結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生的局部阻力不再下降,而沿程阻力的影響又較小,故風(fēng)機(jī)的風(fēng)量變化不明顯。

圖8 不同d時(shí)元件的最高溫度變化

發(fā)熱元件的溫度拐點(diǎn)出現(xiàn)在風(fēng)腔厚度為34 mm處,與風(fēng)機(jī)風(fēng)量的拐點(diǎn)不同步。圖9是風(fēng)腔厚度為34 mm時(shí)發(fā)熱元件的溫度分布云圖,由圖可見,溫度最高的發(fā)熱元件在圖9中用圓圈示出,位于天線單元的中部最右側(cè),此處發(fā)熱元件密集,與上下兩側(cè)散熱器的距離最大,因此溫度最高。結(jié)合圖8和圖9,風(fēng)機(jī)風(fēng)量于發(fā)熱元件溫度的拐點(diǎn)不同步的原因,可能是風(fēng)腔厚度為34 mm時(shí),流過散熱器的氣流均勻性提高,散熱器右側(cè)的散熱效果增加所致。

圖9 d=34 mm時(shí)發(fā)熱元件的溫度分布云圖

可見,風(fēng)腔的厚度過小會(huì)影響風(fēng)機(jī)的性能,風(fēng)腔的厚度增加到34 mm之后,再繼續(xù)增加,并不能明顯提高散熱性能,所以,風(fēng)腔的厚度在散熱設(shè)計(jì)中應(yīng)加以重視,將風(fēng)腔的厚度設(shè)計(jì)在合理范圍內(nèi),能有效提高散熱效率。

3 結(jié)束語

風(fēng)腔的厚度是影響強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)性能的重要因素之一,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,為了減小結(jié)構(gòu)件的尺寸,風(fēng)腔厚度對(duì)散熱性能的影響容易被忽視,往往把風(fēng)腔的厚度設(shè)計(jì)得過小。通過仿真計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),在風(fēng)冷散熱系統(tǒng)中,風(fēng)腔厚度過小,導(dǎo)致腔體截面積收縮產(chǎn)生的局部阻力過大,風(fēng)機(jī)全壓升高,致使風(fēng)機(jī)的性能受到明顯抑制,系統(tǒng)散熱性能較差;風(fēng)腔的厚度也并不是越大越好,它存在一個(gè)合理的范圍,達(dá)到一定值之后,再繼續(xù)增加,風(fēng)機(jī)的性能不會(huì)提升,反而會(huì)下降。在工程設(shè)計(jì)中,推薦此類風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的風(fēng)腔厚度d的取值一般不小于16 mm,不大于40 mm。

[1]張小軍,田珂.間接強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)與仿真[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(32):39-40.

[2]宋志行,關(guān)宏山,錢海濤,等.機(jī)載有源相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2005,3(3):189-192.

[3]郭欣茹,張亞峰.電子設(shè)備機(jī)箱的強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2004,30(2):49-50.

[4]張學(xué)新.某地面電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2014,30(4):8-11.

[5]劉巍,張先鋒,關(guān)宏山.雷達(dá)電子設(shè)備通風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響[J].電子機(jī)械工程,2015,31(4):9-11.

Effect of Wind Cavity Thickness on the Efficiency of Forced Air Cooling System

LIU Wei,CHENG Lin
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

In this paper,the effect of wind cavity thickness on the efficiency of forced air cooling system in the radar antenna is researched by the thermal simulation software of the Icepak.The results show that the thickness of wind cavity has obvious effect on the forced air cooling system.When the model of the fan and the structure of heat radiator are certain,the efficiency of the fan is decreased when the thickness of wind cavity is small;while the thickness of wind cavity is increased,the efficiency of the fan is improved observably,and the temperatures of thermal elements are decreased at the same time.When the thickness is more than a certain value,on the contrary,the efficiency of the fan is decreased,and the temperatures of thermal elements are increased accordingly.In the engineering design,the value of wind cavity thickness is suggested to be more than 16 mm and less than 40 mm.

radar;forced air cooling;wind cavity;thermal design

TN957.2

A

1672-2337(2017)02-0225-04

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.020

2016-09-26;

2016-12-06

劉 巍男,1980年出生于湖北天門,博士,中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所工程師,主要從事雷達(dá)電子設(shè)備環(huán)控設(shè)計(jì)工作。

E-mail:liuwei20050901@163.com

程 林男,1979年出生于河南南陽,碩士研究生,2004年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué),主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真工作。