陳 賀，王成非，范晶晶，朱學(xué)凱

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚州 225101）

0 引言

隨著電子技術(shù)發(fā)展，集成度高、功能性多樣的高功率電子設(shè)備在裝備工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。高功率電子設(shè)備在全功率發(fā)射工作時，發(fā)熱量比較大[1]，為了保證裝備的穩(wěn)定可靠工作，器件要工作在安全的溫度范圍內(nèi)，需對裝備采取散熱措施[2]。

由于不同電子設(shè)備的使用環(huán)境不同，采取的散熱方式與結(jié)構(gòu)形式不盡相同[3]。對船載設(shè)備，由于使用環(huán)境比較惡劣，設(shè)備長期處于高溫、高濕的環(huán)境中，設(shè)備主要采用密閉結(jié)構(gòu)形式，密閉機(jī)箱散熱困難，需要把熱量傳導(dǎo)到外壁或經(jīng)過其他介質(zhì)帶走熱量，散熱系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)備重量往往比較重[4]；機(jī)載與陸基設(shè)備有防雨要求的也需要進(jìn)行密閉設(shè)計，內(nèi)部熱量需要通過熱傳導(dǎo)到設(shè)備側(cè)壁，通過自然散熱、風(fēng)冷或水冷等措施進(jìn)行散熱；對于陸基有防雨無密閉要求的設(shè)備，散熱可以通過合理設(shè)置風(fēng)道、風(fēng)機(jī)的合理選型、發(fā)熱器件的合理布局，使熱量均勻地分布在散熱板上，利于熱量的擴(kuò)散等方式進(jìn)行風(fēng)冷或多種方式結(jié)合的形式散熱[5]。

本文設(shè)計了一種體積小、重量輕、高功耗、便攜式多功能電子設(shè)備，電子設(shè)備工作在與外界環(huán)境導(dǎo)通的相對穩(wěn)定環(huán)境中。根據(jù)重量與散熱要求，對電子設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、器件布局、熱設(shè)計等。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷與自然散熱相結(jié)合的方式，保證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與散熱需求。

1 熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)總體分配空間與重量，電子設(shè)備外形尺寸要控制在600 mm×500 mm×245 mm以內(nèi)，重量控制在20 kg內(nèi)?？紤]到設(shè)備要進(jìn)行篩選實驗，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要能通過實驗要求，設(shè)備總體采用箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間板為器件安裝件與結(jié)構(gòu)受力零件，結(jié)構(gòu)主要部件為天線罩、側(cè)板、中間板、后面板等。主要功能模塊為天線裝置、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、微波模塊、選擇裝置、控制模塊等模塊，結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，各功能模塊安裝在中間安裝板上，中間板為主要支撐結(jié)構(gòu)與散熱載體，為了減輕結(jié)構(gòu)重量，中間安裝板在保證強(qiáng)度的前提下進(jìn)行了輕量化設(shè)計?？刂颇K電路板產(chǎn)熱量比較大，需要對芯片散熱，利用接觸凸臺與芯片接觸擴(kuò)散散熱。若在中間板上加工凸臺，中間板的加工量比較大，工藝性不易實現(xiàn)。為了提高中間板的加工工藝性、縮短機(jī)加工時間、減少中間板的加工量、減輕中間板的厚度，單獨對控制模塊散熱支撐件進(jìn)行設(shè)計，采用散熱板嵌入中間板并保持凸臺面與中間板器件安裝表面平齊，利于風(fēng)冷散熱。側(cè)板進(jìn)行了受力部分結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，非受力部分進(jìn)行進(jìn)行減重設(shè)計，通過對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行輕量化設(shè)計，設(shè)備總質(zhì)量19 kg，各模塊質(zhì)量統(tǒng)計如表1所示。

圖1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)布局

表1 設(shè)備重量統(tǒng)計表

1.2 熱設(shè)計

設(shè)備在信號發(fā)射、接收、處理過程中會產(chǎn)生大量熱，如果熱量不能及時散出，熱量在設(shè)備內(nèi)部大量堆積，溫度不斷升高超過器件的工作許用溫度，會影響設(shè)備內(nèi)部元器件的處理性能與可靠性。設(shè)備內(nèi)部主要產(chǎn)熱模塊為電源模塊、微波模塊、控制模塊，各模塊的熱功率及產(chǎn)熱面積如表2所示。電源模塊與微波模塊背部有翅片結(jié)構(gòu)，增加了與空氣的熱傳導(dǎo)效率，通過中間板的熱傳導(dǎo)，熱量一部分通過風(fēng)機(jī)風(fēng)量帶走排出設(shè)備，另一部分通過翅片傳導(dǎo)到中間板另外一側(cè)；控制模塊的熱量通過均熱板散熱、翅片自然散熱、風(fēng)冷散熱相結(jié)合的方式進(jìn)行，均熱板嵌入中間板并保持凸臺面與中間板器件安裝表面平齊，避免產(chǎn)生紊流，利于風(fēng)冷散熱。

表2 模塊熱耗統(tǒng)計表

控制模塊散熱板結(jié)構(gòu)如圖2所示，微波模塊與電源模塊的散熱齒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 控制模塊散熱板結(jié)構(gòu)

圖3 微波模塊與電源模塊散熱齒示意圖

2 熱計算

2.1 散熱效率計算

根據(jù)設(shè)備內(nèi)部布局，熱源主要集中在中間板上，中間板的單側(cè)面積為A=56 cm×66 cm=3 696 cm2，中間板上的總熱量φ=50+105.6+50=205.6 W，可計算得出中間板上的熱流密度φ=Φ/A=0.055 6 W/cm2。熱流密度φ的值已經(jīng)大于溫升40℃時自然冷卻允許的最大熱流密度0.04 W/cm2，小于強(qiáng)迫空氣冷卻允許的最大熱流密度0.31 W/cm2，因此，機(jī)箱中間板表面需通過強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱[6]。設(shè)備內(nèi)部風(fēng)機(jī)散熱的體積為：V=56 cm×66 cm×12.3 cm=45 460.8 cm3；設(shè)備內(nèi)部體積的熱流密度φV=φ/V=0.004 5 W/cm3，φ小于自然冷卻時的內(nèi)部最大體積熱流密度0.009 W/cm3，也小于金屬傳導(dǎo)最大體積熱流密度0.12 W/cm3。

只分析電源模塊、微波模塊、控制模塊局部區(qū)域的熱流密度φJ(rèn)=φ/AJ=0.333 W/cm2，大于強(qiáng)迫空氣冷卻允許的最大熱流密度0.31 W/cm2，考慮到熱量傳到的速率與效率，設(shè)備采用強(qiáng)迫風(fēng)冷進(jìn)行散熱，發(fā)熱模塊安裝局部區(qū)域的體積熱流密度為φVJ=φ/VJ=0.027 W/cm3，大于自然冷卻時的內(nèi)部最大體積熱流密度0.009 W/cm3，但小于金屬傳導(dǎo)最大體積熱流密度0.12 W/cm3，采用風(fēng)冷散熱，金屬傳導(dǎo)方式并兼顧導(dǎo)熱系數(shù)為5.5 W/(m·K)的傳熱材料，能夠滿足散熱要求。

2.2 強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱計算

為了使系統(tǒng)散熱效率更高，采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，強(qiáng)迫風(fēng)冷計算主要是在滿足散熱要求時，求風(fēng)量的大小，根據(jù)熱平衡方程，強(qiáng)迫風(fēng)冷所需風(fēng)量：

式中：φ為總熱耗；C為空氣比熱；ΔT進(jìn)出口空氣溫度差；ρ為空氣密度。

假設(shè)環(huán)境最高溫度為40℃，出風(fēng)口溫度60℃，空氣溫升20℃。按50℃時空氣為計算標(biāo)準(zhǔn)，其中參數(shù)C=1 005 J/(kg.℃)、ρ=1.093 kg/m3，黏度因數(shù)v=18.97×10-6m2/s，可以求出Q=0.009 4 m3/s。

風(fēng)道按風(fēng)扇的直徑大小計算，截面積S=π(d/2)2，d=0.09 m，空氣流速為?=Q/S=1.48 m/s。Re=?d/v=7 021＞2 200，空氣流動狀態(tài)為紊流。沿程阻力系數(shù)為f=0.314Re-0.25=0.314×0.129=0.041。則風(fēng)機(jī)的壓力為：

局部阻力系數(shù)μ=5，得P=7.73 Pa。

根據(jù)求得的風(fēng)量、風(fēng)壓、速度、散熱效率及工作余量等方面因素，選擇風(fēng)機(jī)San Ace 9GA0912P1H03，根據(jù)計算可知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量能夠滿足散熱要求。風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)壓關(guān)系如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量與風(fēng)壓關(guān)系

3 熱仿真

應(yīng)用FloEFD仿真軟件對設(shè)備工作狀況進(jìn)行仿真。設(shè)定外界環(huán)境溫度為40℃，設(shè)備工作在全功率即所有發(fā)熱器件熱耗最大。電子設(shè)備周邊框架與中間板材料為鋁合金5A06，導(dǎo)熱有機(jī)材料導(dǎo)熱系數(shù)為5.5 W/(m·K)。

劃分網(wǎng)格時，對微波模塊、電源模塊、控制模塊的散熱齒、接觸凸臺、散熱材料等進(jìn)行單獨網(wǎng)格劃分，對非主要產(chǎn)熱模塊進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)格劃分[7]。

在外界環(huán)境40℃，設(shè)備周邊溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的電子云圖如圖5所示。從仿真結(jié)果可知，采用此結(jié)構(gòu)布局方式，溫度最大處為微波模塊處72℃，在元器件允許工作溫度范圍內(nèi)。電源模塊、控制模塊溫度在53～65℃之間，也在工作允許范圍內(nèi)。

圖5 穩(wěn)態(tài)時電子設(shè)備溫度云圖

4 結(jié)束語

通過對設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件布局、散熱計算、風(fēng)機(jī)選型、散熱仿真結(jié)果可知，設(shè)備滿負(fù)荷運行時微波模塊、電源模塊、控制模塊未出現(xiàn)局部溫度過高現(xiàn)象，器件最高溫度小于許用溫度，說明散熱設(shè)計可以滿足使用要求。根據(jù)散熱流動分布云圖（圖6）可知，散熱模塊布置比較集中，主要依靠一個風(fēng)機(jī)的風(fēng)量散熱，雖然滿足使用要求，但溫度梯度較大，另外兩個風(fēng)機(jī)風(fēng)量位置溫度梯度較小，熱量較少。為了能夠更快速進(jìn)行散熱，使設(shè)備內(nèi)部的溫度分布更均勻，降低溫度梯度，微波模塊、電源模塊、控制模塊可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的位置布置進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化。

圖6 電子設(shè)備散熱流動云圖