［劉霄海 梁增柱 尹鈺田 王志勇］

1 引言

某型球上數(shù)字光端機裝載在高空熱氣球上，與地面設(shè)備實時互通；受使用環(huán)境限制，該設(shè)備對體積重量有嚴(yán)苛的要求，在滿足強度要求的情況下，需要開展輕量化設(shè)計；同時，該設(shè)備面臨著惡劣的高溫?zé)岘h(huán)境且內(nèi)部含有大量熱敏感的光模塊，因此需要對其進行必要的熱設(shè)計[1]。本文通過對某型球上數(shù)字光端機進行結(jié)構(gòu)散熱方案設(shè)計并利用熱設(shè)計仿真分析進行驗證及風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計，得到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)工程師進行改進設(shè)計，縮短產(chǎn)品研制周期，節(jié)約研制成本，其設(shè)計分析方法對球上電子設(shè)備結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計有一定的參考價值。

2 熱設(shè)計要求

某型球上數(shù)字光端機采用金屬板拼裝而成，為滿足輕量化和強度要求，通過對不同材料的對比分析，選定底板、箱體前后框架、前立板的材料為AZ31B 鎂鋁合金；風(fēng)扇安裝板、進風(fēng)端連接架及上下蓋板等結(jié)構(gòu)組件的材料為6061 鋁合金，整體外形尺寸約為：490 mm×480 mm×160 mm（長×寬×高），如圖1（a）所示。其主要由箱體、1 個電源模塊、4 個波分復(fù)用模塊、1 塊光收發(fā)板A、3 塊光收發(fā)板B 等組成。光收發(fā)板卡外形尺寸均為：365 mm×130 mm×2 mm（長×寬×高），其中光收發(fā)板A 上安裝41 個光模塊，其余每塊光收發(fā)板B 上安裝44個光模塊，如圖1（b）所示。

圖1 球上光端機整體結(jié)構(gòu)模型

設(shè)備工作環(huán)境溫度最高為56℃，工作海拔高度為3 500 m。其主要熱耗器件為電源模塊及光模塊，相關(guān)信息如表1。

表1 光模塊及電源熱耗信息

通過上述信息看出，光模塊耐溫較低，數(shù)量多且集中在4 塊光收發(fā)板上，因此熱設(shè)計時需要重點考慮光模塊的散熱。

3 熱設(shè)計

3.1 熱設(shè)計方案

由于整機熱耗較大，且所處環(huán)境無直接傳導(dǎo)途徑，因此整機采用強迫風(fēng)冷散熱。設(shè)備內(nèi)部含有大量熱敏感的光模塊，需為其構(gòu)造良好的散熱環(huán)境。將光收發(fā)板與其余器件及線纜完全分隔設(shè)計。4 塊光收發(fā)板設(shè)置在一獨立的上層空間，線纜通過過線孔穿往下層空間。其余器件及接插件分別布置在獨立空間的下層及側(cè)方空間。該結(jié)構(gòu)使光收發(fā)板處在一個相對封閉的獨立空間內(nèi)，前后設(shè)置通風(fēng)孔，容易形成順暢高效的風(fēng)道，且便于對風(fēng)道進行優(yōu)化，如圖2 所示。

圖2 球上光端機整體結(jié)構(gòu)模型

3.2 熱耗器件散熱路徑

球上數(shù)字光端機的熱耗主要集中在光收發(fā)模塊和電源模塊上。其熱量傳遞主要分為傳導(dǎo)、對流換熱、輻射換熱3 種方式[2]。

光模塊工作時內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到光模塊殼體上，再通過殼體傳導(dǎo)到散熱器上，通過對流換熱，最終由風(fēng)扇排出熱量。通過在光模塊上加裝散熱器，可有效提高對流換熱表面積，如圖3 所示。而電源模塊工作時產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到箱體中間隔板及箱體四周，并通過對流換熱散去。

圖3 光模塊工作時傳熱路徑

3.3 風(fēng)機選型

球上數(shù)字光端機整機熱功耗小于等于382 W，按最大熱功耗382 W計算，根據(jù)熱平衡方程[3]，整機的通風(fēng)量為:

圖4 風(fēng)扇型號尺寸及P-Q 性能參數(shù)

4 球上數(shù)字光端機散熱仿真分析

4.1 仿真模型建立

根據(jù)球上數(shù)字光端機的構(gòu)型，將建模完成的機箱CAD 數(shù)字樣機導(dǎo)入到ANSYS-SCDM 中，為提高軟件計算工作效率，在保證分析結(jié)果正確性的前提下，對球上數(shù)字光端機的部分結(jié)構(gòu)特征進行了合理簡化，刪除了部分不相關(guān)器件，略去螺釘、螺母、圓角、安裝孔等不影響熱路模型的局部細節(jié)及小插件。簡化后用于仿真分析的球上數(shù)字光端機三維模型如圖5 所示。

圖5 球上數(shù)字光端機簡化數(shù)字模型

4.2 熱仿真計算

使用 ANSYS Icepak 對球上數(shù)字光端機的簡化數(shù)字模型進行流體熱仿真計算,模擬高熱耗、高海拔、高溫條件下最惡劣的工況，即:設(shè)備最大熱功耗382 W 時散熱仿真分析。最終的仿真計算結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 球上數(shù)字光端機溫度分布

由圖6（a）、圖6（b）可知，設(shè)備最高溫度發(fā)生在安裝于箱體下層的電源模塊上，表面溫度為80.54℃，但低于其設(shè)計目標(biāo)溫度，滿足設(shè)計要求。由圖6（c）可知，光模塊表面最高溫度約為78.12℃，位于上層光收發(fā)板靠近出風(fēng)口處的光模塊，不滿足設(shè)計溫度要求。因此，為了保證光模塊長時間可靠性的工作，需要對球上數(shù)字光端機的結(jié)構(gòu)散熱風(fēng)道進行優(yōu)化設(shè)計。

4.3 風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計

從仿真生成的溫度分布圖可以看出，上層出風(fēng)口處光模塊溫度比較集中，下層溫度逐漸降低，分析主要原因為冷風(fēng)風(fēng)量分配不合理導(dǎo)致上層散熱能力不足。由于光模塊溫度與設(shè)計溫度相差不大，因此可以對風(fēng)道進行優(yōu)化設(shè)計，調(diào)節(jié)每層光收發(fā)板間的過風(fēng)量，使溫度分布盡量均勻以滿足設(shè)計要求。根據(jù)本設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，通過調(diào)整板間間隔、頂層光收發(fā)板上部空間、底層光收發(fā)板下部空間，可以達到調(diào)節(jié)風(fēng)量分配的目的，通過多次調(diào)整獲得最優(yōu)方案。

以光收發(fā)模塊溫度最小化為優(yōu)化目標(biāo)，采用數(shù)值仿真技術(shù)對該球上數(shù)字光端機的結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計進行優(yōu)化驗證。驗證結(jié)果如表4 所示。圖7 為方案2 的光收發(fā)板溫度分布情況。

表2 風(fēng)道優(yōu)化方案

圖7 光收發(fā)板溫度分布（方案2）

從仿真結(jié)果可以看出，通過風(fēng)道優(yōu)化后，光模塊表面溫度得到降低，但是仍然未達到設(shè)計溫度要求。通過圖7的風(fēng)扇工作點數(shù)據(jù)結(jié)合風(fēng)扇P-Q 曲線可以看出，雖然大部分風(fēng)扇實際工作時接近效率點，但是部分仍然偏低。通過降低系統(tǒng)風(fēng)阻，可以提高風(fēng)扇效率。本設(shè)備為保障系統(tǒng)的電磁兼容要求，此前進出風(fēng)口開孔為直徑1.8 mm 的波導(dǎo)孔，根據(jù)實際情況可調(diào)整為直徑2.2 mm。調(diào)整后溫度分布情況如圖8 所示。

圖8 光收發(fā)板溫度分布（2.2 mm 通風(fēng)口）

從仿真結(jié)果可以看出，增加通風(fēng)口面積后，系統(tǒng)風(fēng)阻下降，風(fēng)扇工作效率提升，通風(fēng)量增大，最終光收發(fā)模塊最高溫度控制在74℃以下，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

某型球上數(shù)字光端機熱耗高，要求體積小、重量輕，工作環(huán)境惡劣。因此，在方案設(shè)計階段即開展熱設(shè)計分析，設(shè)置獨立風(fēng)腔合理分布熱耗器件，并通過計算預(yù)選風(fēng)扇型號，使整機工作溫度接近設(shè)計要求。利用數(shù)值仿真技術(shù)，多次優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計，通過調(diào)節(jié)風(fēng)量分配，適當(dāng)增加進出風(fēng)口面積，以較少的改動滿足設(shè)計要求。該設(shè)備已研制樣機，并通過了電子設(shè)備高低溫試驗和電磁兼容試驗，結(jié)果表明該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕、空間利用率高，結(jié)構(gòu)形式、強度設(shè)計和熱設(shè)計合理，得到了用戶的好評。