某戶外高頻箱抗惡劣環境結構一體化熱設計

陳彥，吳志輝，劉劍，鄧環宇

（北京無線電測量研究所，北京 100854）

引言

目前許多電子設備工作于惡劣環境下，受太陽熱輻射和本身發熱影響，電子設備的壽命和可靠性受到嚴重影響。因此，消除這兩種影響因素、實現電子設備工作環境的舒適性，至關重要。

戶外環境中，機箱常用來安放各種電子設備，箱內環境即是電子設備工作環境，受電子設備散熱和外環境影響，包括環境溫度、太陽輻射、風速、機箱周圍物體（遮蔽、地表反射、建筑物和樹木）、機箱設計（表面面積、外形、顏色等）、空氣滲透以及鹽霧、沙塵等，箱內環境一般面臨散熱、防塵、防沙和防鹽霧等問題。根據箱體尺寸、使用溫度要求以及電子設備可靠性要求等，需要對機箱采取合理的環控措施，保證電子設備的工作環境。

1 箱內組件

高頻箱內放置有頻綜組合、波導放大器及電源等多種組件，頻綜組合數量1個，為8U風冷機箱，波導放大器一共9個，電源共計3個，全部放置于高頻箱內，各組件熱量如表1所示。如何合理放置并選擇合理的散熱方式，保證電子設備的工作環境條件，是本文的研究重點。

表1 熱量匯總

2 熱設計要求

根據GJB 3760-99要求，高頻箱內部環境溫度不高于70 ℃。

3 散熱設計

高頻箱內放置有頻綜組合、波導放大器及電源等多種組件：頻綜組合為8U風冷機箱，通過強迫風冷實現內部插件散熱；波導放大器一共9個，可通過自然對流或強迫對流方式實現散熱；電源共計3個，可通過強迫對流或熱傳導散熱方式實現散熱。

針對戶外箱體散熱，可根據外環境溫度、太陽輻射、風速、機箱周圍物體、鹽霧以及沙塵等具體情況，結合實際結構以及使用環境溫度要求，分別采取開式循環散熱和閉式循環散熱兩種方式。

3.1 開式循環散熱

開式循環散熱即引入外環境空氣，吸收箱內設備熱量后再排出，實現散熱循環，優缺點如下。

1）優點：散熱方式直接，外環境空氣直接與箱內電子設備接觸將熱量帶走，傳熱路徑短、散熱效果好。

2）缺點：受外界環境影響大，風沙、潮濕、鹽霧、霉菌等惡劣環境會加速設備的老化，導致箱內電子設備性能降低、失效甚至損壞，嚴重影響設備的使用壽命和可靠性。

3.2 閉式循環散熱

閉式循環散熱即箱體為密閉結構，實現箱內與外環境的物理隔絕，避免外部惡劣環境對內部電子設備的影響。具體實施中可根據結構尺寸及內部熱量大小，進行散熱設計。

對于戶外密閉箱體，自然散熱、空調和空空換熱器等是工程上常用的散熱方式：

1）對于自然散熱方式，箱內總熱量為247.8 W，高溫50 ℃、太陽輻射環境，在不考慮內部電子設備熱耗的情況下，箱內環境溫度已將近70 ℃，不滿足熱設計要求，不宜采用。

2）對于空調工作方式，高頻箱存在俯仰工作模式，普通壓縮機制冷空調無法滿足該工作模式要求。

3）對于空空換熱器方式，高溫環境下，空空換熱器能夠滿足散熱需求，但需要對額外增加的體積進行優化，以滿足結構布局要求。

3.3 方案選擇

由以上分析可知，開式循環散熱嚴重影響電子設備工作，不宜采用；閉式循環散熱中空空換熱器方式可以滿足熱設計要求，但需要進行結構布局優化設計。

本文將針對高頻箱結構，將空空換熱器理念融入箱體結構設計中，實現高頻箱結構一體化熱設計，在滿足結構布局要求的同時，提升散熱能力，改善內部電子設備工作環境。

3.4 方案實施

根據高頻箱結構，箱體一體化熱設計可分箱體散熱和內部組件散熱兩部分。

3.4.1 箱體散熱

1）箱外部分，在箱體左右兩側壁，布置散熱風道及風機，風道內安裝有散熱翅片，構成空空換熱器外循環；

2）箱內部分，利用頻綜組合風機進行強迫對流，并在內壁安裝散熱翅片，充分增加散熱面積和擾動，構成空空換熱器內循環；

3）箱體構成內外循環換熱面，最終實現箱內熱量向箱外的傳遞。

3.4.2 內部組件散熱

1）頻綜組合為風冷組合，自身帶有風機，可實現內部組件散熱，故將組合安裝在箱內空間即可。該組合風機還起到箱體散熱內循環風機的作用，在滿足組合內部插件散熱的同時，適當地選擇大風量、大風壓的風機，同時可將風機出風對著波導放大器或電源，實現散熱效率的最大化。

2）根據電氣需求，需要將波導放大器一端安裝在箱體側壁上，另一端為發熱器件，故可將波導放大器放置于頻綜組合出風位置，利用強迫對流方式將熱量快速地傳遞至箱內空間。

3）電源可懸置于箱內空間或安裝在箱體側壁上，箱體側壁為內外循環換熱面。與對流換熱方式相比，通過熱傳導將熱量傳遞至箱體側壁的方式更為直接有效，故本文選擇將電源安裝在箱體側壁實現散熱。

綜上，內部各組件熱量傳輸路徑如圖1所示。

圖1 熱量傳輸路徑示意圖

4 仿真論證

4.1 模型建立

建立如圖2所示仿真模型。內部為頻綜組合、波導放大器及電源，頻綜組合內安裝有3臺風機，一方面對內部插件散熱，另一方面風機出風直接與波導放大器接觸，將其熱量快速傳遞至箱內，同時還能增加內部擾動，加速熱量向箱壁的傳遞，增強熱傳遞效果；高頻箱左右兩外側壁為散熱通道，可通過強迫風冷進行散熱；其余四個外壁面通過自然對流進行散熱。

圖2 仿真模型示意圖

4.2 邊界條件

1）環境溫度50 ℃；

2）頻綜組合風機為3臺113FZW36-26GJ風機；

3）兩外側壁為獨立散熱通道，風機為各2臺113FZW36-26GJ；其余外側壁為自然散熱，布置有散熱翅片；內側壁安裝有散熱翅片，無散熱通道；

4）高頻箱殼體為鑄鋁，表面為沙漠迷彩色，太陽輻射吸收率取0.4；

5）太陽輻射強度1 120 W/m2，輻射方向為+Y。

4.3 結果分析

本文將高頻箱與空空換熱器進行結構一體化熱設計，即箱外為外循環，箱內為內循環，箱體為熱交換面。接下來將詳細論證分析外循環、內循環及箱體各影響因素，并根據論證結果，選擇最優散熱方案。

1）外循環方面，首先研究不同自然對流風速對箱內環境溫度的影響程度，其次研究箱外不同風機數量對箱內環境溫度的影響，以確定外循環方式；

2）內循環方面，研究箱內有無額外擾流風機對箱內環境溫度的影響，以確定內循環方式；

3）箱體方面，研究太陽輻射對箱壁的加熱效果及對箱內環境溫度的影響，確定是否設置遮陽罩。

4.3.1 外循環

1）自然對流

自然對流工況下，高頻箱外無散熱通道及風機，僅在各外壁布置散熱翅片。仿真結果如表2所示。

表2 自然對流影響仿真結果

由仿真結果可知，外環境風速對箱體內散熱影響較大，自然對流風速由0 m/s增加至3 m/s時，箱內環境溫度由84.7 ℃降至65.2 ℃，箱體溫度由86.5 ℃降至65.7 ℃，實際工作環境是未知和不可控的，故需要采用風機+散熱通道的方式，消除不同自然環境條件的影響。

2）箱外風機數量

該工況下，高頻箱兩外側壁安裝散熱翅片并各安裝2臺軸流風機。為提高可靠性，將各風機對應風道獨立封裝，冷風由上下兩側進入風道，吸收熱量后由風機抽出，實現散熱循環。

由仿真結果可知，兩外壁各安裝2臺風機能夠滿足箱內環境溫度要求；且3臺以下（含3臺）風機發生故障后，箱內環境溫度仍能滿足工作環境溫度要求，如表3所示。

表3 箱外風機影響仿真結果

4.3.2 內循環

除頻綜組合風機外，在箱內額外增加擾流風機，可增強內循環換熱效果。該工況下，外循環4臺風機和頻綜組合3臺風機均正常工作，探究箱內有無額外擾流風機的溫度情況，計算中考慮太陽輻射影響。

由仿真結果可知，箱內增加2臺擾流風機后，箱內溫度降低4.2 ℃，箱體溫度降低3.2 ℃，效果較為明顯，如表4所示。實際是否采用，可綜合考慮結構空間、供電、可靠性等方面。

表4 箱內擾流風機影響仿真結果

4.3.3 箱體

太陽輻射會增加箱體溫度，并最終影響箱內環境溫度。

為充分研究太陽輻射影響，優化箱體熱設計，本次計算中箱外無散熱風道及風機，并且自然對流風速為0 m/s，分別計算有無遮陽罩工況下的箱內環境溫度，結果如表5所示。

表5 太陽輻射影響仿真結果

1）有遮陽罩工況下，太陽輻射引起的溫升為7.2 ℃；

2）無遮陽罩工況下，太陽輻射引起的溫升為18.8 ℃；

3）有太陽輻射工況下，增加遮陽罩后箱內溫度降低了10 ℃，降溫效果明顯；

4）無太陽輻射工況下，增加遮陽罩后箱內溫度升高了1.6 ℃，升溫效果不明顯。

由以上仿真結果可知，太陽輻射對箱體的升溫效果較為明顯，在設計中需要進行防太陽輻射設計；增加遮陽罩能夠有效降低太陽輻射對箱體加熱影響，實際設計中可充分考慮。

5 小結

由以上分析可知，對高頻箱采取閉式循環散熱，即箱外布置散熱風道和風機、箱內利用頻綜風機擾流能夠滿足內部電子設備使用環境要求，避免外環境潮濕、鹽霧、霉菌的影響，同時增加遮陽罩能夠有效避免太陽輻射加熱影響，降低箱內環境溫度，優化內部電子設備工作環境溫度。

6 結束語

本文對高頻箱進行結構一體化熱設計，并結合不同影響因素進行了仿真論證和優化分析，得出該散熱方案能夠滿足散熱要求，對后續惡劣環境下戶外箱體的散熱設計具有參考意義。根據箱體結構、內部熱量大小和不同環境條件，采取合適的散熱方式，并對結構形式和布局進行一定程度的優化設計，實現結構、散熱一體化設計，在滿足散熱需求的基礎上盡可能優化結構設計，提高內部電子設備工作環境適應性和可靠性。