摘要：在軍用武器裝備綜合電子系統(tǒng)中，綜合電子箱體起到了連接固定、封裝防護、導熱散熱與電磁屏蔽等不可或缺的作用。然而，隨著電子元器件性能、功耗以及集成化程度的逐步提高，發(fā)熱元件附近熱量極易堆積，導致箱體內實際工作溫度持續(xù)升高，這會極大地限制產品性能的釋放并引發(fā)一系列質量及安全問題。鑒于此，針對某綜合電子系統(tǒng)內高集成化與高功耗元件帶來的發(fā)熱問題，以某四槽模塊化LRMs機箱為研究對象，分析其內發(fā)熱機理與熱量傳遞鏈路，并用數(shù)值仿真手段，探究不同冷卻方式對箱體內熱量傳輸與功耗元件最高溫度的影響。

關鍵詞：綜合電子系統(tǒng)；LRMs機箱；熱量傳遞；熱仿真；最高溫度

中圖分類號：TJ03" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0036-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.010

0" " 引言

在各類武器裝備的綜合電子系統(tǒng)中，綜合電子箱體對系統(tǒng)內線路與器件等發(fā)揮了連接固定、封裝防護、導熱散熱與電磁屏蔽等重要作用。隨著科技與兵器工業(yè)的發(fā)展，軍用電子設備的功能集成度越來越高，其對結構外形的要求愈發(fā)緊湊?，F(xiàn)場可更換模塊（Line Replaceable Module，LRM）為系統(tǒng)內高集成、多功能單元，具有標準結構和電氣接口。在綜合電子箱體內引入LRM模塊結構，可以達到共享系統(tǒng)資源，簡化系統(tǒng)結構，降低系統(tǒng)復雜性等效果[1-2]。但是，隨著電子元器件的封裝密度與功耗不斷提高，電子設備過熱的問題越來越突出，這嚴重地限制了電子產品性能及可靠性的提高，也縮短了設備的工作壽命。因此，綜合電子箱體設備內的溫升情況必須予以重視并采取有效措施進行控制[3]。

本文以某綜合電子系統(tǒng)內四槽LRMs機箱為研究對象，針對多模塊內所含功率元件熱耗較高的問題，分析該機箱內具體散熱結構與熱流鏈路，并結合實際要求為其設計強迫風冷散熱措施，進而建立該機箱自然冷卻與強迫風冷兩種工況下的傳熱學仿真模型，模擬不同散熱方式所對應箱體內溫度分布與流場情況，為今后該類機箱散熱性能的研究與冷卻結構的改進提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。

1" " 幾何模型與熱阻網(wǎng)絡分析

1.1" " 模型的建立與簡化

本文的研究對象模型如圖1所示，該模型為某綜合電子系統(tǒng)內四槽LRMs機箱。該機箱由上下左右前后六塊鋁合金面板拼接而成，底面四周有對地連接的四個支耳，箱體后面板上有對外電連接器，其余面板上設有減重與散熱凹槽，其內部可在對應定位槽位插入四個功能各異的通用LRM模塊，模塊由上下冷板、起拔器、鎖緊條等組成，內設含有功耗芯片與器件的PCB板卡，功耗元件與LRM模塊冷板之間設有散熱凸臺和導熱硅膠墊，同樣LRM模塊前端面與前面板內側之間也設有導熱膠墊。模塊通過起拔器、鎖緊條以及箱體槽道實現(xiàn)安裝時的定位與鎖緊。面對箱體前面板方向從左至右分別為1～4號LRM模塊，各LRM模塊結構示意圖如圖2所示。為便于進行之后的熱阻網(wǎng)絡分析與傳熱學仿真，將上述模型進行適當簡化，去掉各型號螺釘、螺紋孔，模塊內的上下起拔器、部分鎖緊條，以及箱體與模塊內外表面各類不規(guī)則邊沿倒角等，最終簡化模型如圖3所示。

由于該機箱內元器件功耗較大，需要為其施加強迫風冷散熱措施，加之箱體內部空間有限且箱體對電磁兼容特性與維修便攜性有要求，因此考慮將某型號離心風扇安裝在前面板外側，并在面板上風扇四周添加高密度散熱翅片，這樣即使氣流未進入箱體內，依然可以通過前面板外側的散熱翅片將熱量更高效地帶離箱體表面。施加風冷措施后的機箱具體結構如圖4所示，其簡化后模型如圖5所示。

1.2" " 熱阻網(wǎng)絡分析

本小節(jié)對箱體內的熱量流動鏈路進行分析，其熱阻網(wǎng)絡示意圖如圖6所示。

由圖6可見，熱量從功耗元件散失到外界環(huán)境的過程大致分為三個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)是功耗元件將熱量從自身傳遞到LRM模塊冷板上，這個環(huán)節(jié)包括熱量通過芯片上方導熱凸臺與導熱硅膠墊直接傳遞至LRM模塊冷板，以及熱量經(jīng)PCB板鋪開后再通過模塊內自然對流與輻射傳至LRM模塊冷板兩種路徑；第二個環(huán)節(jié)是LRM模塊外殼將熱量傳遞至箱體，這個環(huán)節(jié)的傳熱也有類似兩種具體鏈路，一種為熱流以導熱的方式從LRM模塊外殼前端面及其上下兩端鎖緊條處的左右兩側分別向箱體前面板和箱體槽道兩側之間傳遞，另一種路徑為LRM模塊殼體外表面通過箱體內空氣自然對流與熱輻射將熱量傳遞至箱體內表面；第三個環(huán)節(jié)即箱體與外界環(huán)境之間的換熱，這主要通過自然對流與熱輻射進行。當在前面板外側施加離心風扇與高密度散熱翅片時，前面板外側與外界環(huán)境之間的熱傳遞則主要以強迫對流方式進行，這使得第三個傳熱環(huán)節(jié)乃至總箱體的熱阻均有所降低，即整箱體散熱效率得到提高，最終其內功耗元件穩(wěn)態(tài)時的最高溫度也會有所下降。

另外，圖6也展示了功耗芯片內考慮詳細封裝（包括晶結、粘接劑、焊盤、基板、焊球等）的傳熱結構以及PCB板內考慮多層銅線的傳熱結構，它們均對整個傳熱過程以及后續(xù)的仿真結果有著不可忽視的影響。

2" " 熱力學仿真與結果分析

2.1" " 網(wǎng)格劃分與模型設定

本項目選取Icepak軟件作為主要仿真工具，對已經(jīng)簡化的兩種機箱模型進行適當近似調整、分割等操作，將其轉化為全部由直線與直角所構成的方形幾何體組合，并對模型內PCB板、風扇、風扇罩等特殊結構予以相應定義。全局網(wǎng)格采用Icepak內置的非結構化網(wǎng)格，并對箱體內LRM模塊部分與功耗元件部分用非連續(xù)性網(wǎng)格進行加密。最終經(jīng)網(wǎng)格質量檢查，該網(wǎng)格質量較高且滿足仿真需要。

本四槽LRMs機箱各面板為鋁合金材料，其內插各LRM模塊殼體也為鋁制，模塊內含有FR4材料與多銅層混合制成的PCB板，通過賦予各層銅箔厚度與面積占比，可計算出PCB板平面方向與垂直于PCB板方向的導熱系數(shù)。面向前面板從左至右分別為1～4號LRM模塊，其中1號模塊內發(fā)熱元件為電源模塊，熱功率為8 W，2～4號模塊內發(fā)熱元件為高功耗芯片，發(fā)熱功率分別為17、25、17 W，功耗芯片的熱模型采取賦予其上下結殼熱阻的方法。在芯片與LRM模塊殼體之間以及模塊前端面與箱體前面板內側之間均貼有導熱系數(shù)為6 W/（m·K）的導熱硅膠墊。風扇的性能曲線根據(jù)實際廠家手冊所給PQ曲線賦予，且在軟件內采用Grille功能設定風扇進風口處的網(wǎng)罩來考慮其產生的流阻而不專門予以建模。

本仿真箱體所處環(huán)境溫度為45 ℃，求解時考慮了箱體內外的自然對流，即開啟重力影響，空氣采用布辛涅司克假設，即僅在浮力項中考慮密度隨溫度的變化；另外也考慮了由風機所帶來的前面板外表面翅片間的強迫對流以及箱體內外的熱輻射，輻射模型采用Do模型，即通過求解輻射傳輸方程來模擬傳熱過程。具體參數(shù)及邊界設置如表1所示。

2.2" " 仿真結果與分析

2.2.1" " 溫度場結果與分析

在上述所設模型參數(shù)與工況下，仿真得到兩種箱體的穩(wěn)態(tài)溫度場分布分別如圖7和圖8所示，離心風機對機箱內溫度的影響效果對比如圖9所示。

圖7內四圖表示同一個箱體，從左至右、由上至下分別表示對箱體上下左右側板、LRM模塊殼體及PCB板進行透明處理以便觀察（圖8同理）。由圖可見，箱體最高溫處為97 ℃，位于3號LRM模塊內的功率芯片表面，其他三個功耗元件溫度次之，在PCB板與LRM模塊上以功耗器件對應位置處為中心溫度向四周逐步降低，機箱外殼溫度最低，且前半段溫度略高于后半段，整箱溫度最低為73 ℃。

圖8為離心風機冷卻下箱體的溫度場云圖，該箱體的溫度分布情況和自然冷卻機箱大致相同，但機箱整體溫度有明顯下降，箱體內溫度峰值處仍位于為3號LRM模塊內芯片表面，此時該模塊內功耗芯片表面溫度為78 ℃；箱體內溫度最低點同樣位于箱體外殼上，最低溫為54 ℃，均相比箱體自然冷卻時降低了近20 ℃。另外，由圖可見，由于離心風機工作所產生的氣體流線，且強迫對流氣體的溫度較低，其與機箱前面板上散熱翅片有明顯的溫度差，這也說明了該離心風機與散熱翅片間的換熱效果良好。

圖9則將兩種冷卻方式的箱體溫度場云圖放入同一圖例內，以便更好地展示風機對機箱冷卻所產生的效果。

2.2.2" " 速度場結果與分析

為表示箱體外計算域內氣體的流動情況，繪制計算域內貫穿箱體的某橫截面上的速度分布云圖，如圖10與圖11所示。

由圖10可見，未施加風機冷卻時，箱體對外散熱主要依靠自然對流的方式進行，即其周圍空氣受熱膨脹密度降低，在重力作用下向上流動且逐步匯聚，并在計算域頂端受到邊界限制后向四周分散，自然對流的最高流速約為0.45 m/s。由圖11可見強迫風冷時，沿著前面板內離心風扇出風口射線方向和風扇進風口旁氣流速度較高，風機出口處局部峰值流速超過10 m/s，強迫冷卻空氣射流抵達計算域頂端時受壁面邊界限制向四周分散，同時箱體四周也存在自然對流現(xiàn)象。

在兩種散熱方式下箱體內長度方向平均取五個橫截面，圖12為橫截面上空氣流速云圖。由圖可見，在箱體內各LRM模塊之間、模塊內以及模塊后與后面板之間這些空腔內也均存在自然對流現(xiàn)象輔助換熱。由于LRM模塊內與模塊之間空間狹窄，空氣流動區(qū)域近乎占滿整個空間，而在LRM模塊后與箱體后面板之間的較大空間區(qū)域內，空氣流動區(qū)域呈現(xiàn)環(huán)形，只分布在箱體上下左右側壁表面。另外，兩種箱體腔內流速差異不明顯，最高速度為0.08 m/s，遠小于箱體外計算域內的空氣流速。

3" " 總結與展望

在當今武器裝備綜合電子系統(tǒng)內發(fā)熱問題與散熱壓力日益凸顯的背景下，本文以內含多功耗元件的某綜合電子四槽LRMs機箱為研究對象，分析其內部熱流傳遞鏈路，進而建立自然冷卻與強迫風冷兩種散熱措施下箱體的熱仿真模型。由仿真結果可以看出，強迫風冷措施有效降低了箱體內功耗芯片表面溫度，降幅可達近20 ℃，這不僅提高了該產品工作時的可靠性，還拓寬了其適用環(huán)境溫度范圍，對今后該類電子箱體的設計與熱性能評估有著指導意義。

更進一步地，對于該類綜合電子箱體的散熱仿真技術在未來的研究方向而言，一方面，可以逐步細化并根據(jù)實驗修正熱模型，使其越來越準確真實；另一方面，也可通過大量的仿真結果數(shù)據(jù)探究該類綜合電子箱體內多因素對溫度的影響，建立散熱特性關聯(lián)式或數(shù)據(jù)庫，提出正向熱設計的基本準則。

[參考文獻]

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[2] 李風新.LRM熱傳導結構在加固計算機中的研究與應用[J].電子機械工程，2020，36（4）：17-21.

[3] 秦灝卿.LRM增強傳熱結構研究[J].電子機械工程，2012，28（3）：24-26.

收稿日期：2024-10-23

作者簡介：王澤林（1997—），男，陜西人，助理研究員，研究方向：綜合電子箱體結構與傳熱學優(yōu)化設計。