郭燕

摘要：某機(jī)載綜合通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中發(fā)熱問題比較突出，為此設(shè)計了一種模塊化強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)，既具有良好的散熱能力，同時兼顧機(jī)載設(shè)備減重、振動及電磁兼容等方面環(huán)境適應(yīng)性要求。設(shè)計過程中應(yīng)用熱仿真軟件，建立了整機(jī)的熱仿真模型，分析了高溫工作時設(shè)備散熱性能。設(shè)備樣機(jī)順利通過了高溫摸底試驗，表明該散熱結(jié)構(gòu)方案有效可行。

Abstract： The heating problem in the structural design of an airborne integrated communication equipment is quite prominent. For this reason， a modular box structure of forced air cooling is designed， which has good heat dissipation capacity. At the same time， environmental adaptability requirements for weight reduction， vibration and electromagnetic compatibility of airborne equipment shall be considered. ?By application of thermal simulation software in the design process， the thermal simulation model of the whole machine is established. The heat dissipation performance of the equipment at high temperature is analyzed. The prototype of the equipment has passed the high temperature bottom test successfully， which shows that the design scheme of the heat dissipation structure is effective and feasible.

關(guān)鍵詞：機(jī)載終端設(shè)備;熱設(shè)計;風(fēng)冷

Key words： airborne;thermal design;air cooling

0 ?引言

隨著通信設(shè)備在機(jī)載方向的應(yīng)用越來越廣泛，對設(shè)備的集成化要求越來越高，熱設(shè)計成為結(jié)構(gòu)設(shè)計中極其重要的一個環(huán)節(jié)。熱設(shè)計不僅會影響設(shè)備的性能指標(biāo)，更重要的會對設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生影響。在某型集成導(dǎo)航、衛(wèi)通、數(shù)據(jù)鏈的綜合設(shè)備的設(shè)計過程中，由于安裝條件受限，需要設(shè)計的體積為256.3 mm（寬）×370mm（深）×200mm（高），重量小于15kg，功耗為500W的機(jī)載設(shè)備。滿足GJB150.18A試驗要求，40g，11ms，各向6次的沖擊以及GJB150.15A試驗要求，各向13.5g加速度。根據(jù)設(shè)計的要求，在滿足機(jī)載設(shè)備沖擊振動、電磁兼容性等要求的基礎(chǔ)上，解決設(shè)備的散熱問題為主要難點(diǎn)，通過仿真分析迭代，設(shè)計了一種散熱優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。

1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的綜合設(shè)備大多采用聯(lián)合式結(jié)構(gòu)，各設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，設(shè)備堆疊，設(shè)備與設(shè)備之間主要通過總線實現(xiàn)信息交互。整個系統(tǒng)呈現(xiàn)為松散耦合的狀態(tài)，設(shè)備間時間同步性能較低，難以滿足多體系的使用需求。同時，硬件和軟件功能綁定、呈現(xiàn)出緊密耦合的狀態(tài)，無法通過快速重構(gòu)技術(shù)，適應(yīng)快速多變的要求。因此該綜合設(shè)備采用軟件定義的形式，構(gòu)建自適應(yīng)、高生存，自組織、多功能的彈性機(jī)載綜合，實現(xiàn)軟件和硬件解耦合、軟件自適應(yīng)重構(gòu)的綜合系統(tǒng)、滿足架構(gòu)開放化、裝備通用化、功能軟件化的設(shè)計理念。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，參考標(biāo)準(zhǔn)航空機(jī)載機(jī)箱的尺寸和安裝使用要求，應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，各功能板卡采用傳統(tǒng)風(fēng)冷的非標(biāo)VPX模塊，以混裝母板作為信號的交聯(lián)樞紐，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)組合成風(fēng)冷屏蔽機(jī)箱，總體設(shè)計使得體積、重量、功耗等技術(shù)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。

設(shè)備組成包括1塊航電轉(zhuǎn)接板卡、2塊信號處理板卡、2塊射頻處理板卡、1塊綜合管理板卡、1塊電源管理板卡7個板卡和接口轉(zhuǎn)換單元、風(fēng)冷散熱單元等幾部分組成。

接口轉(zhuǎn)接單元采用板機(jī)焊裝連接器的方式，提供設(shè)備的對外接口，風(fēng)冷散熱單元為整個設(shè)備提供風(fēng)源。航電轉(zhuǎn)接板卡、信號處理板卡、射頻處理板卡、綜合管理板卡、電源管理板卡外面均設(shè)計有鋸齒結(jié)構(gòu)的冷板，以增大散熱面積。各板卡之間通過混裝連接器連接，通過緊固條和導(dǎo)銷實現(xiàn)了電氣和機(jī)械連接的同步到位，同時各板卡之間形成散熱風(fēng)道，進(jìn)而實現(xiàn)了電氣、結(jié)構(gòu)和散熱的緊耦合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有集成化高，體積小，重量輕，抗振好，散熱好，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

內(nèi)部板卡模塊通過鎖緊條鎖緊固定，鎖緊條可滿足GJB150.18A試驗要求，40g，11ms，各向6次的沖擊，以及GJB150.15A試驗要求，各向13.5g加速度。內(nèi)部鎖緊條結(jié)構(gòu)形式見圖2，板卡結(jié)構(gòu)形式見圖3。

1.1 熱設(shè)計及仿真

機(jī)箱采用強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計，后面板安裝有3個60×60風(fēng)扇，向機(jī)箱外部抽風(fēng)。風(fēng)道流向為從機(jī)箱前面板左側(cè)進(jìn)入，穿過6槽模塊，從機(jī)箱后面板后側(cè)流出（前視）。如圖4所示。

根據(jù)熱平衡方程[1]，計算密封終端機(jī)箱散熱方案所需要的通風(fēng)量：

在公式中，Q為所需通風(fēng)量（m3/h），Φ為總功耗（W），ρ為空氣的密度（kg/m3），Cp為空氣的比熱（J/kg·℃），Δt為發(fā)熱模塊與機(jī)箱表面空氣溫差（℃）。發(fā)熱模塊與機(jī)箱表面的空氣溫差與機(jī)箱采取的散熱方案的具體效果有關(guān)，含有印制板的風(fēng)冷的系統(tǒng)，通風(fēng)量計算時溫差可按取值10℃。將總功耗按200W計算，考慮海拔4550m，查看空氣密度-海拔表得知[2]，該高度下空氣的密度參數(shù)約為0.78kg/m3，空氣的比熱參數(shù)1005J/kg·℃和初步擬定的溫差10℃代入公式中，可得機(jī)箱所需通風(fēng)量為91.8m3/h。

根據(jù)風(fēng)量計算機(jī)箱風(fēng)扇初步選型，擬選用型號622HH，廠家EBM的風(fēng)扇。該型風(fēng)扇的規(guī)格為60×60×25.4，單個最大風(fēng)量56m3/h（機(jī)箱共三個風(fēng)扇），單個噪音43dB，供電電壓DC 12V。風(fēng)扇的特性曲線見圖5。

分析環(huán)境溫度設(shè)置為45℃， 修正海拔高度為4550m條件下，設(shè)備內(nèi)的熱量情況[3] [4]，采用電子設(shè)備熱分析軟件FLO-THERM，根據(jù)功耗預(yù)估，對各個板卡的發(fā)熱量設(shè)定相應(yīng)的發(fā)熱功率，熱仿真模型網(wǎng)格劃分時，對風(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412.3萬，最大長寬比為12[5]，仿真結(jié)果如圖6-圖8所示。

1.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真分析析以上結(jié)果可知，機(jī)箱內(nèi)部最高溫度72.7℃，機(jī)箱溫升為27.7℃，風(fēng)扇工作點(diǎn)31.32m3/h，風(fēng)阻52Pa。

機(jī)載綜合終端內(nèi)芯片工作溫度不超過80℃，各芯片均在正常工作溫度范圍，622HH風(fēng)扇可滿足要求，能保證機(jī)載綜合終端內(nèi)各模塊正常工作。

2 ?結(jié)束語

上述綜合信道終端設(shè)備熱耗高，要求體積小，重量輕，設(shè)計了一種模塊化風(fēng)冷的結(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。強(qiáng)迫風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了設(shè)計要求。這種結(jié)構(gòu)形式還具有抗振性好、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，對其他機(jī)載通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的借鑒意義。

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