張小旭

(甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730070)

0　引言

近年來，隨著軍事格局的不斷變化，雷達(dá)已成為軍事科技領(lǐng)域競爭的焦點(diǎn)之一。美國新研制的航母編隊(duì)空中預(yù)警探測E-2D已具備強(qiáng)大的海濱陸地的探測能力。我國現(xiàn)役空警-2000裝備最先進(jìn)的機(jī)載雷達(dá)[1-2]。雷達(dá)作為無線電探測目標(biāo)的電子設(shè)備，其工作環(huán)境惡劣，常置于高溫、高濕、低氣壓、寒冷、霉菌、鹽霧和電磁干擾環(huán)境之中，雷達(dá)電子設(shè)備基本設(shè)計(jì)為全密閉機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式。

電子設(shè)備在獲取目標(biāo)信息的過程中需要多個(gè)處理單元對(duì)其回波信號(hào)進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生大量的熱量，尤其在高溫環(huán)境下工作時(shí)，其內(nèi)部熱量如果不能及時(shí)散掉將直接影響處理單元正常工作。而當(dāng)處理單元在低溫環(huán)境下工作時(shí)，其內(nèi)部元器件會(huì)在低于某溫度時(shí)出現(xiàn)工作異常。因此需要設(shè)計(jì)一種在高溫時(shí)散熱性能好、在低溫時(shí)具有加熱控制功能的全密閉機(jī)箱，用于承載設(shè)備處理單元，以保證其正常工作。本文設(shè)計(jì)了一種全密閉機(jī)箱，在高溫時(shí)通過強(qiáng)迫風(fēng)冷方式將處理單元產(chǎn)生的熱量散掉，在低溫時(shí)通過加熱裝置及控制電路快速加熱機(jī)箱并控制加熱過程，保證了各處理單元的正常工作。

1　全密閉機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)

研究表明，功率器件的失效率隨器件溫度呈指數(shù)關(guān)系增長[3]，在實(shí)際工作中，可能會(huì)因?yàn)闊崃坎荒芗皶r(shí)排出，器件溫度過高甚至被燒毀而影響電路的可靠性和壽命[4-5]。所以熱失效是電子設(shè)備系統(tǒng)常見的故障之一，采用的散熱措施包括自然冷卻技術(shù)、風(fēng)冷技術(shù)、液冷技術(shù)、熱電制冷技術(shù)和熱管技術(shù)[6-11]。文獻(xiàn)[12-14]開展了可應(yīng)用于電子設(shè)備中的微型散熱器的換熱特性研究。

1.1　機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

處理機(jī)箱設(shè)計(jì)為冷板夾層、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)形式。由左右側(cè)板與前后框架整體釬焊而成為全密閉機(jī)箱。

在機(jī)箱左右兩邊側(cè)板設(shè)計(jì)了風(fēng)道，風(fēng)道內(nèi)選用平直多孔型翅片與機(jī)箱側(cè)板釬焊成一體，增大散熱面積，提高散熱效率。機(jī)箱后部設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口，前部設(shè)計(jì)有出風(fēng)口。機(jī)箱內(nèi)部左、右側(cè)壁上設(shè)計(jì)多對(duì)插槽，每對(duì)插槽上安裝一冷板模塊，處理單元分別安裝于冷板上，通過鎖緊裝置固定于插槽內(nèi)。模塊的熱量通過冷板及兩端的楔形鎖緊裝置傳導(dǎo)到風(fēng)道翅片上，再通過強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)流換熱將熱量帶走。整體釬焊冷板機(jī)箱如圖1所示。在整個(gè)散熱過程中，冷卻空氣只流經(jīng)機(jī)箱側(cè)板夾層風(fēng)道，不與處理單元的電子元器件直接接觸，使機(jī)箱內(nèi)部與外界完全隔離，達(dá)到全密閉空間。

圖1　整體釬焊冷板機(jī)箱

1.2　處理單元模塊設(shè)計(jì)

按每個(gè)處理單元上大功率發(fā)熱器件的布局情況設(shè)計(jì)冷板，將這些器件殼體上表面與模塊冷板緊貼，為了減少導(dǎo)熱熱阻，二者之間加裝柔性導(dǎo)熱墊。發(fā)熱器件所產(chǎn)生的熱量通過殼體上表面直接傳給冷板，再由冷板傳給機(jī)箱側(cè)壁，以強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式將熱量帶走。模塊兩端設(shè)計(jì)了具有良好的熱傳導(dǎo)性能的楔形鎖緊裝置，將處理單元鎖緊在機(jī)箱插槽內(nèi)。處理單元模塊示意圖如圖2所示。

圖2　處理單元模塊示意

1.3　熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)就是對(duì)電子元、組件及整機(jī)溫升的控制[15]。由于本機(jī)箱內(nèi)安裝的是高發(fā)熱密度的電子元器件，所以選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻方式進(jìn)行散熱。

1.3.1全密閉機(jī)箱熱設(shè)計(jì)分析

已知機(jī)箱內(nèi)的總熱功耗Q，冷卻風(fēng)入口溫度為20 ℃，進(jìn)出口溫差Δt取10 ℃。根據(jù)熱平衡方程：

Q=CPρQfΔt，

(1)

計(jì)算得冷卻風(fēng)量：

Qf=Q/(CPρΔt)。

根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)道當(dāng)量直徑，計(jì)算出流速ω。

(2)

(3)

(4)

Δt3=Q·R；

(5)

1.3.2冷板熱設(shè)計(jì)分析

根據(jù)每塊冷板的要傳導(dǎo)的熱量、導(dǎo)熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)，計(jì)算出熱流密度：

qλ=Q/Fλ。

(6)

已知器件的允許工作溫度t，設(shè)tw為傳導(dǎo)到機(jī)箱翅片上的溫度。據(jù)導(dǎo)熱定律：

(7)

式中，h為指機(jī)箱翅片厚度；t為允許工作溫度；n為法線方向。

由式(6)和式(7)相等得tw：

(8)

1.3.3熱分析結(jié)果對(duì)比

處理單元熱量從冷板傳導(dǎo)到翅片壁上，計(jì)算出翅片壁上的溫度tw。機(jī)箱風(fēng)道內(nèi)由外部供風(fēng)，對(duì)流換熱后，翅片壁溫為ts。只要ts

2　Flotherm熱仿真分析

Flotherm采用成熟的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)仿真技術(shù)，擁有大量專門針對(duì)電子工業(yè)開發(fā)的模型庫，已廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的模擬仿真[20]。根據(jù)上述熱設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，使用Flotherm熱仿真分析軟件對(duì)機(jī)箱及其內(nèi)部處理單元模塊、電子元器件的溫度進(jìn)行仿真，分析是否滿足設(shè)計(jì)要求。已知機(jī)箱內(nèi)總的熱功耗、冷卻風(fēng)風(fēng)量、入口溫度和環(huán)境溫度，對(duì)機(jī)箱模型進(jìn)行簡化并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)Flotherm軟件仿真分析，得到機(jī)箱表面溫度分布云圖如圖3所示，某關(guān)鍵模塊冷板表面溫度分布云圖如圖4所示。

圖3　機(jī)箱表面溫度分布云圖

圖4　某關(guān)鍵模塊冷板表面溫度云圖

分析可知，機(jī)箱內(nèi)關(guān)鍵器件及其他電子元器件殼溫的最高溫度都在指標(biāo)要求范圍內(nèi)，電子設(shè)備在高溫環(huán)境中能正常工作，說明該熱設(shè)計(jì)方案合理。

3　低溫加熱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于處理單元印制板上的某些器件的工作溫度低于某溫度時(shí)器件不能工作，從而導(dǎo)致電子設(shè)備不能正常工作。而電子設(shè)備要求在低溫下能快速啟動(dòng)并正常工作，所以必須設(shè)計(jì)低溫加熱控制系統(tǒng)以支持處理單元正常工作。

低溫加熱控制系統(tǒng)由處理單元模塊、加熱薄膜、溫度繼電器和電源等組成。本文在處理單元冷板上設(shè)計(jì)安裝加熱薄膜及溫度繼電器，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。加熱時(shí)利用冷板將熱量均勻傳遞到處理單元各個(gè)部位，采用溫度繼電器感知并控制加熱薄膜電路的通斷。

在某低溫T啟動(dòng)時(shí)，加熱薄膜迅速將處理單元模塊加熱到某一溫度，當(dāng)溫度繼電器檢測到機(jī)箱內(nèi)的溫度高于T1時(shí)，溫度繼電器迅速切斷加熱薄膜電源，加熱薄膜停止加熱；當(dāng)溫度繼電器檢測到機(jī)箱內(nèi)的溫度又低于某溫度T2時(shí)，溫度繼電器迅速閉合加熱薄膜電源，加熱薄膜又開始加熱工作。如此循環(huán)，以保證處理單元處于能夠正常工作的溫度。

3.1　選擇加熱薄膜和溫度繼電器

選擇專門定做的高質(zhì)量加熱薄膜，尺寸及加熱功率都嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求生產(chǎn)，其工作溫度在電子設(shè)備所要求的范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)工作溫度要求。

根據(jù)加熱薄膜的阻值R及給其施加的電壓U計(jì)算出加熱功率P：

P=U2/R。

根據(jù)熱平衡方程計(jì)算加熱時(shí)間，

t=mCPΔt/P。

如果加熱時(shí)間t滿足電子設(shè)備工作要求，說明加熱薄膜的阻值R合適；如果不能滿足，則選擇不同阻值的加熱薄膜重新計(jì)算。

經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和測試結(jié)果，篩選選擇了接觸感應(yīng)式、低溫型密封溫度繼電器，該溫度繼電器具有外形體積小、重量輕、控溫精度高、可靠性高和工作溫度范圍寬等特點(diǎn)，可供電子設(shè)備使用。

3.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

將裝有處理單元模塊的機(jī)箱置于試驗(yàn)箱中，加熱薄膜接好電源，外接多路溫度測試儀并與計(jì)算機(jī)相連。將試驗(yàn)箱降溫保溫后，閉合電源給加熱膜供電。加熱開始，每5 s采集一個(gè)溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖5所示。由圖5可以看出，加熱薄膜能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將處理單元模塊器件加熱到其工作溫度范圍內(nèi)；溫度繼電器閉和、斷開點(diǎn)的溫度正確，并能控制加熱薄膜正常工作。

圖5　加熱薄膜溫度曲線

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的全密閉電子設(shè)備機(jī)箱，在高溫低溫環(huán)境中均能保證機(jī)箱內(nèi)各單元正常工作，達(dá)到了以下功能：

① 在高溫時(shí)，熱量通過冷板傳到機(jī)箱的側(cè)壁，并通過機(jī)箱側(cè)壁上的風(fēng)道由強(qiáng)迫風(fēng)冷方式將熱量散發(fā)出去，其散熱效果好，有效防止元器件發(fā)熱損壞；

② 在低溫時(shí)，冷板上的加熱薄膜和溫度控制繼電器，可以對(duì)置于其內(nèi)的元器件進(jìn)行加熱及溫度控制，進(jìn)而解決了處理單元在低溫時(shí)難以啟動(dòng)、不能正常工作的難題。

③ 機(jī)箱內(nèi)單元模塊的數(shù)量可以根據(jù)電子設(shè)備要求的具體數(shù)量而確定，在不改變機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式下增加或減少插槽數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備機(jī)箱的快速設(shè)計(jì)；加熱控制系統(tǒng)中的加熱薄膜，也可根據(jù)不同設(shè)備模塊的具體要求確定其加熱功率和數(shù)量，以確保機(jī)箱內(nèi)的溫度保持在各單元可以正常工作的環(huán)境下。

5　結(jié)束語

電子設(shè)備機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)不僅要考慮高溫時(shí)元器件溫升的控制，還要考慮極端低溫環(huán)境下的加熱及保溫控制措施；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，把傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)算法和現(xiàn)代仿真分析軟件Flotherm結(jié)合起來，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，縮短研制周期，節(jié)約成本，提高可靠性。文中設(shè)計(jì)的機(jī)箱適用于復(fù)雜環(huán)境下的通信技術(shù)領(lǐng)域，也可用于軍民融合領(lǐng)域，適用范圍廣泛，具有先進(jìn)性。

[1]張良，徐艷國.機(jī)載預(yù)警雷達(dá)技術(shù)發(fā)展展望[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2015，37(1)：1-7.

[2]陳奎.雷達(dá)機(jī)箱熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2016：1-4.

[3]李波，李科群，俞丹海.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.

[4]孫靜，周元均，張磊.基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)[J].電器電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(4)：57-59.

[5]李亞梅，劉偉增，田興，等.基于Flotherm的集裝箱散熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程，2016，32(1)：5-8.

[6]DAI Jun，DAS Diganta，PECHT Michael，et al.A Case Study on the Impact of Free Air Cooling on Telephone Equipment Performance[C]∥Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium，2012：82-86.

[7]ASADI M，AREZI B.Thermal Design，Modeling and Simulation of Air Forced Cooling Heat Sink for Thyristor Controlled Reactor (TCR)[C]∥2011 2nd Power Electronics，Drive Systems and Technologies Conference，2011：625-631.

[8]ANCIK Zdenek，TOMAN Jiri，VIAH Radek，et al.Modeling of Thermal Phenomena in Liquid Cooling System for Aircraft Electric Unit[J].IEEE Transaction on Industrial Electronic，2012，59(9)：3572-3578.

[9]BABY Rajesh，BALAJI C.Experimental Investigation on Phase Change Material Based Finned Heat Sinks for Electronic Equipment Cooling[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55(5)：1642-1649.

[10] SIMONS R E，CHU R C.Application of Thermal Electronic Cooling to Electronic Equipment：A Review and Analysis[C]∥Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium，2000：1-9.

[11] CHANG Yuwei，CHENG Chiaohuang，Chang Jung，et al.Heat Pipe for Cooling of Electronic Equipment[J].Energy Conversion and Management，2008，49(11)：3398-3404.

[12] 程婷，羅小兵，黃素逸.基于一種微通道散熱器的散熱實(shí)驗(yàn)研究[J].半導(dǎo)體光電，2007(6)：75-77.

[13] 張平，唐良寶.矩形微通道中流阻特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)技術(shù)，2009，31(15)：92-94.

[14] 倪美琴，陳興華，莊斌舵.關(guān)注半導(dǎo)體制冷研究與發(fā)展[J].制冷與空調(diào)，2001，1(1)：42-57.

[15] 趙惇殳.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第1冊(cè))[M].江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

[16] 劉漢濤，仝志輝，王艷華，等.密封機(jī)箱內(nèi)電子元器件及熱管冷卻的熱設(shè)計(jì)[J].流體機(jī)械，2016，44(6)：72-75.

[17] FURLER P，STEINFELD A.Heat Transfer and Fluid Flow Analysis of a 4kW Solar Thermochemical Reactor for Ceria Redox Cycling[J].Chemical Engineering Science，2015，137：373-383.

[18] KATRIB J，F(xiàn)OLORUNSO O，DODDS C，et al.Improving the Design of Industrial Microwave Processing Systems Through Prediction of the Dielectric Properties of Complex Multi-layered Materials[J].Journal of Materials Science，2015，50(23)：7591-7599.

[19] AVRAN Bar-Cohen，MADHUSUDAN Lyengar.Least-energy Optimization of Air-cooled Heat Sinks for Sustainable Development[J].IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies，2003，26(1)：16-25.

[20] 張紅根，鄭欣燕.高熱量機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用天地，2007，8(10)：55-56.