抗惡劣環境換熱裝置的研究與設計*

王 凱 王連坡

(1.北京世紀瑞爾技術股份有限公司 北京 100000)(2.中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

抗惡劣環境換熱裝置的研究與設計*

王 凱1王連坡2

(1.北京世紀瑞爾技術股份有限公司 北京 100000)(2.中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

介紹了電子設備熱設計的基本要求、目的、傳熱的基本原則及熱量傳遞的基本方式。詳細介紹了抗惡劣環境換熱裝置的工作原理、設計方案,并與強迫風冷散熱方式進行對比,得出抗惡劣環境換熱裝置的優越性。

傳熱學; 熱控制; 換熱裝置; 強迫風冷

Class Number TK33

1 引言

隨著電子技術的迅速發展,電子技術在各個領域得到了廣泛的應用。為了保證元器件和設備的熱可靠性以及對溫度壓力變化的惡劣環境條件的適應能力,電子元器件和設備的熱控制技術得到了普遍的重視和發展。研究表明,芯片級的熱流密度高達100W/cm2[1],如此高的熱流密度,若不采取合理的熱控制技術,必將嚴重影響電子元器件和設備的熱可靠性,從而導致元器件或設備的熱失效。大量統計數據顯示,元器件的失效率隨溫度的增加呈指數增長趨勢。環境溫度每增長10℃,電子設備的失效率增大一倍以上[2],如果缺乏良好的熱設計和冷卻措施,使環境溫度超過了元器件的額定工作溫度范圍,就會造成元器件工作狀態不穩定或者失效。傳統的機箱、機柜,為了保持穩定的工作溫度,大部分都是僅在機箱、機柜中裝設普通的風機和散熱器。但這種散熱方式,無法適應一些惡劣的環境,如阻止外部環境的潮濕空氣、砂塵、鹽霧等侵入設備內部,也無法保證設備的電磁兼容性能,進而影響設備的正常運行,并且給維修及更換上帶來了諸多不便。

熱控制的基本任務就是保證熱量能夠迅速地傳遞到周圍環境中,即在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻的通道。針對艦載及戶外應用的通訊、電力等設備工作的惡劣環境,由于空氣腐蝕的存在,散熱裝置不能將環境中的空氣與設備進行直接對流散熱,本文主要研究并設計一種密閉型的散熱裝置,既可實現對設備散熱,又保證了設備不直接和空氣進行對流散熱。

2 熱控制的基本要求

2.1 熱控制應滿足設備可靠性的要求

一般電子設備內部存在著大量的發熱元器件,使得設備內部環境溫度升高。高溫對大多數電子元器件將產生嚴重的影響,它會導致元器件的失效,進而引起整個設備的失效。通過熱控制的設計,采取使發熱元器件散熱冷卻的措施來降低設備的溫升,從而保證設備的可靠性。因此在結構設計時應注意考慮以下原則:

1) 熱控制方案要滿足元器件降額應用對設備內部溫度的要求。因此,一般電子設備的機內溫度應設法控制在45℃～65℃范圍以內,對功率密度大一些的設備也不應超過50℃～70℃范圍;

2) 整機的散熱冷卻方案應與設備的功率密度大小相適應。一般原則是當功率密度低于12.2kW/m3時,可選擇自然冷卻方案;當功率密度超過12.2kW/m3時,應選擇強迫空氣冷卻技術;當功率密度超過43kW/m3時,則應選擇水冷方案[3];

3) 對發熱元器件采取散熱措施時,要滿足其對熱阻的要求。一般原則是若發熱元器件對熱阻的要求大于30℃/W時,可不必采取散熱措施;當對熱阻的要求在2℃～30℃/W時,可采取散熱器散熱;當對熱阻的要求在0.05℃～2℃/W時,則應采取軸流風機強制風冷散熱等;

4) 對設備內部的部件應合理布局:一般原則是發熱量小或無源器件應放在設備的底部;發熱量大、寬溫的部件應放在設備的頂部,元器件與設備之間的距離最好大于35mm～40mm,以利于空氣自然對流來散熱。另外,對一些熱敏感器件應該盡量避開熱源,必要時可增加熱屏蔽罩。

2.2 熱控制應滿足設備預期工作的熱環境的要求

電子設備的熱環境包括:

1) 環境溫度和壓力(或高度)的極限值;

2) 環境溫度和壓力(或高度)的變化率;

3) 太陽或周圍物體的輻射熱;

4) 可利用的熱沉(包括:種類、溫度、壓力和濕度);

5) 冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降(對由其他系統或設備提供冷卻劑進行冷卻的設備而言)。

2.3 熱控制應滿足對冷卻系統的限制要求

對冷卻系統的限制主要包括對使用的電源(交流、直流及功率容量)的限制、對振動和噪聲的限制、對冷卻劑進出口溫度的限制及結構(安裝條件、密封、體積和重量等)的限制。

3 熱控制的理論基礎

熱量從高溫區傳遞到低溫區通常有以下三種形式:熱傳導、對流和輻射[4]。

3.1 熱傳導

氣體導熱是分子不規則運動的結果,固體導熱靠自由電子的運動完成,對于液體主要是由于彈性波的作用。熱傳導遵循傅立葉定律,其計算公式[5]為

3.2 對流

對流是指流體各部分之間發生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流換熱可用牛頓冷卻公式計算:

φ=hcA(tw-tf)

式中:φ為熱流量,W;hc為對流換熱系數,W/(m·℃);A為對流換熱面積,m2;tw為熱表面溫度,℃;tf為冷卻流體溫度,℃。

3.3 熱輻射

物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為熱輻射。熱輻射是輻射能和熱能的相互轉換過程,物體的輻射可用斯蒂芬-波爾茲曼定律表示:

φ=εAσ0T4

式中:φ為熱流量,W;ε為物體黑度;A為輻射表面積,m2;σ0為斯蒂芬-波爾茲曼常數(5.67×10-8W/(m2·K4));T為物體表面的熱力學溫度,K。

4 換熱裝置設計方案

4.1 設計原理

在封閉的箱體內通過安裝熱管散熱器,將箱體分為內外兩個環境,箱體內外環境通過風扇將熱管傳遞的熱量排出,風扇的進出口處安裝了截止波導或金屬絲網防止電磁泄漏。同時,箱體與熱管、箱體與蓋板之間均嵌入了既能防水又能防電磁泄漏的耐腐蝕性共擠導電橡膠條。

4.2 設計方案

4.2.1 設備組成

抗惡劣環境換熱裝置的結構示意圖如圖1所示。抗惡劣環境換熱裝置的組成部分有:箱體1、截止波導2、風扇3、導電橡膠條4、熱交換器5、蓋板6、金屬絲網7、風扇8等組成。其中,熱交換器由安裝板9、硅膠板10、熱管11、散熱片12、密封條13,安裝螺釘14等構成。箱體1為機械銑削加工成型或鑄造成型,在其底部和背部均開制有M10的螺紋孔,方便與被散熱的設備進行連接,同時,在箱體1的頂部預留了導電橡膠條的安裝槽,蓋板6與箱體1接觸面為導電氧化處理,保證兩者之間連接后能夠達到導電連續性的效果。

4.2.2 工作原理

圖1 抗惡劣環境換熱裝置結構示意圖

抗惡劣環境換熱裝置可作為獨立的裝置安裝在設備的背部。在該裝置中,熱交換器將散熱裝置分成內外兩個獨立腔體,其中處于內環境中的熱管一端為蒸發端,外環境一端為冷凝端。被散熱設備產生的熱量將設備內部的空氣加熱,熱空氣再經過內環境中風扇F2將熱空氣抽進散熱裝置的內環境中,熱空氣將散熱裝置的熱管加熱,通過管內壁的毛細物質浸滿的工作液體(水、甲醇、氨、丙酮、氟利昂等),將熱管的蒸發段加熱,熱量通過管壁傳給液體工質,工質吸熱后變成蒸汽,并在冷凝段放出汽化潛熱,而這些熱量再借助更大面積的散熱器來傳到外部環的熱管端,外部環境在通過風扇W1和W3將熱量散發至熱沉(即大氣)中,達到散熱效果。

5 設計方法

抗惡劣環境換熱裝置通過熱交換器分為兩個獨立的密封腔體,各腔體獨立。在抗惡劣環境的散熱器設計過程中,首先應明確設備的需求,然后將設備與空氣直接進行隔離,使兩者之間不能直接進行空氣對流,最后,建立內部和外部兩個對流循環,通過熱管或其他的散熱體將內外部之間的熱量進行傳遞,最終,熱量由外循環帶至大氣(熱沉)中。本設計是采用上述設計方法進行,設計出的產品具有以下優勢:

1) 強迫風冷散熱是利用風機鼓風或抽風,以提高設備內部空氣流動速度來達到散熱目的的一種散熱方式。強迫風冷散熱雖然能夠較好地實現散熱效果,但由于強迫風冷散熱方式是使大氣中的空氣與設備內的空氣直接進行對流,在散熱的同時會將大氣中的水蒸汽、砂塵、微粒、鹽霧等帶入設備內部。砂塵等可能會阻擋通風風道,增加風阻,而鹽霧、微粒等和水蒸氣一起作用在設備內部元器件的表面,會形成約1μm～1mm厚的水膜,而這層水模會和元器件或設備殼體發生陽極或陰極化學反應,甚至在極薄的水膜下,會使電池的電阻變得非常大,影響設備的正常使用。而抗惡劣環境換熱裝置通過換熱單元將強迫對流變換為對流加傳導散熱,在不影響散熱效果的同時,能夠避免大氣中的空氣與設備內的空氣進行直接對流,極大地提高了設備運行的可靠性。

2) 抗惡劣環境換熱裝置具有良好的電磁兼容性。在該裝置中,對孔洞和縫隙均做了相應的電磁兼容性設計:首先,風扇的孔洞處理,在外環境中進風口和出風口均增加了截止波導,截止波導的電磁屏蔽效果非常理想,尤其在頻率高于100MHz[[6]以上;其次,在箱體的頂部、熱管安裝位置處、換熱裝置與被散熱裝置之間均增加了耐腐蝕共擠導電橡膠條,該橡膠條具有良好的電磁密封性和水密封作用。最后,在頂部與蓋板之間、底部與被散熱設備之間等接觸位置處均做了導電涂層處理,保證了接觸面的具有良好的電氣連續性。

3) 抗惡劣環境換熱裝置具有良好的獨立性,與被散熱設備可方便的進行連接,實現了結構設計中要求的模塊化、組合化等標準化要求,可大大提高結構設計的效率。

6 結語

抗惡劣環境換熱裝置主要針對的是一些戶外或者艦載設備等,可較好實現設備的散熱,使設備工作在正常的溫度范圍內。在對換熱裝置進行設計時,應根據被散熱設備的實際使用環境及設備內部功率譜密度合理選擇換熱單元的熱管和散熱片,有必要時,可采取熱分析軟件如Icepark、Flotherm、Flotrn[5]等進行熱仿真,根據分析結果優化設計方案。

[1] 王連坡.結構設計中的熱控制技術[J].電子機械工程,2009(6):1-2.

[2] 江紅.軍用通信方艙的取暖和制熱設備選擇[J].指揮信息系統與技術,2011(8):2-3.

[3] 中國電子技術標準化研究所.軍用電子設備熱設計指南[Z],1993:86-95.

[4] 邱成悌,趙惇殳,蔣全興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社,2005.265-397.

[5] 周旭.電子設備結構與工藝[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:7-20.

[6] 芮平良.網絡電磁空間防御作戰能力需求分析[J].指揮信息系統與技術,2011(2):4-5.

Heat Transfer Device in the Severe Environment

WANG Kai1WANG Lianpo2

(1. Beijing Century Real Technology Co., Ltd, Beijing 100000) (2. The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007)

The article introduces the basic requirement, the purpose of thermal design, basic principle as well as the basic mode of the heat transfer device of the electronic technologic equipment. the working principleis, design of the heat transfer device are desribed in detail, Compared with the heat exchanger of forced air cooling, the supeiority of the heat transfer device is got.

heat transfer, thermal control, heat transfer device, forced air cooling

2013年7月5日,

2013年8月27日

王凱,男,助理工程師,研究方向:計算機系統設計與集成。王連坡,男,高級工程師,研究方向:電子設備結構總體設計。

TK33

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.046