某數據鏈機載設備強迫風冷結構設計

劉新博，李兵強

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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某數據鏈機載設備強迫風冷結構設計

劉新博，李兵強

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

某數據鏈機載設備結構設計過程中發熱問題比較突出，為此設計了一種模塊化拼接式強迫風冷機箱結構，既具有良好的散熱能力，同時兼顧機載設備減重、鹽霧、濕熱、振動及電磁兼容等方面環境適應性要求。設計過程中應用熱仿真軟件，建立了整機的熱仿真模型，分析了常溫和高溫工作時設備散熱性能。設備樣機順利通過了高溫摸底試驗，表明該散熱結構方案有效可行。

機載電子設備；熱仿真；強迫風冷

0 引 言

隨著機載電子設備集成化程度的不斷提高，散熱成為結構設計中非常重要的一個環節。在某型數據鏈機載設備的研制過程中，由于安裝條件的約束，需要設計體積為220(W)×194(H)×400(L)(單位mm)、重量小于15 kg、熱耗預估為602 W的數據鏈機載設備。根據設計要求，充分考慮機載設備減重、鹽霧、濕熱、振動及電磁兼容等方面的要求，以解決散熱問題為第一目標，設計了一種散熱性能比較優越的結構形式。

1 結構設計

傳統機載電子設備結構有2種：一種是積木拼裝式機箱結構；另一種是以現場可更換模塊(LRM)為基礎單元的綜合集成式機箱結構[1]。積木拼裝式機箱結構多應用于第2代聯合式航空電子系統結構的現場可更換單元(LRU)，具有良好的自然散熱性能，減重設計較好實現，但各模塊的獨立性不高，模塊之間多以電纜連接，維修性差。綜合集成式機箱結構多應用于第4代綜合式航電系統，集成度高，維修性好，但箱體以及各LRM 的外殼使設備重量增加，散熱效果較差，抗高強度沖振性方面也面臨挑戰[2-4]。

本數據鏈機載設備充分借鑒了前述2種傳統機載設備結構的優點。設計思想是：整機參考標準航空機載機箱(ATR)的尺寸和安裝使用要求，應用模塊化結構設計理念，各功能模塊采用傳統風冷式的非標LRM模塊，以混裝母板作為信號交聯中樞，以軸流風機作為冷卻風源，各模塊以積木拼裝式結構組合成間接強迫風冷屏蔽機箱。

設備組成包括接口轉接單元、收發處理單元、信息處理單元、電源處理單元、射頻處理單元和風冷散熱單元6個模塊。接口轉接單元前面板為設備對外接口，與平臺相連。風冷散熱單元為整機提供冷卻風源，同時提供整機定位安裝面。

電源處理單元、信息處理單元、收發處理單元和射頻處理單元均設計為通風腔式密封屏蔽結構，通過接口轉接單元進行信號傳輸。模塊之間通過高速混裝連接器連接，實現了盲插，通過互相插合緊固實現電氣和機械連接同步到位，同時模塊間形成散熱風道，從而實現了結構、電氣、散熱的緊耦合結構。這種結構形式具有體積小、重量輕、散熱好、抗振性好、維修方便等優點。設備的結構如圖1所示。

2 熱設計

(1) 整體設計

整機散熱功耗預估602 W，各模塊熱耗如表1所示?？紤]到射頻處理單元的熱耗占整機的熱耗比例高，并且發熱大都集中在功率管上，設計時將設備的強迫風冷散熱分為兩部分，射頻處理單元單獨為一部分自帶風機散熱，電源處理單元、信息處理單元和收發處理單元作為另一部分加風機散熱(這部分總稱為主機單元)。設備散熱結構形式如圖2所示。

表1 設備各模塊熱耗表

(2) 風道設計

(a) 射頻處理單元風道設計

射頻處理單元采用自帶風機間接強迫風冷方式，風道設計在模塊外側，與內部電路組件安裝空間隔離。對模塊內部器件合理布局，將發熱量小的組件進行組合，盡量為功率管背腔風道留出空間進行風道設計。風道內散熱齒高度29 mm，基底厚度2 mm。散熱齒間距6 mm，齒底寬2 mm，齒頂寬1.2 mm。風扇嵌入到散熱器中安裝以節省空間，風機為吹風安裝形式，出風口在射頻處理單元的后部。射頻處理單元內部風道如圖3所示。

(b) 主機單元風道設計

考慮到設備的密封性和電磁屏蔽性，將主機單元設計成獨立密封屏蔽的結構形式，模塊兩側面作為散熱冷板，冷板表面根據風阻特性加工一定高度的散熱齒，兩模塊貼合后形成1組冷卻風道。在設備后部安裝有軸流式風機，風機為抽風安裝形式。冷卻氣流從設備上部和下部的進風口進入風道，從設備后部出風口經風機流出，帶走設備熱量。主機單元后部加裝風機為電源處理單元、信息處理單元和收發處理單元提供冷卻風源。

電源處理單元、信息處理單元和收發處理單元3個模塊拼接形成2個風道，風道寬度10 mm。散熱冷板上設計厚度1 mm、間隔5 mm的散熱齒以增大散熱面積。風道中的散熱冷板設計形式相似，各模塊的主機單元風道設計如圖4所示。

電源處理單元發熱器件主要是電源模塊。電源模塊散熱面緊貼電源處理單元殼體的側壁，側壁外側加工散熱齒。電源處理單元熱耗190 W，占主機單元熱耗的54%，散熱齒高度7 mm。信息處理單元位置在3個模塊中間，其熱耗占比較小，且分為2個側壁散熱，與電源處理單元貼合面散熱齒高度為2 mm，與收發處理單元貼合面散熱齒高度3 mm。收發處理單元散熱齒高度為6 mm。

(3) 風機選型

風機選型包括射頻處理單元的風機和主機單元的風機2種。本文著重闡述主機單元風機的選型。

主機單元熱耗為352 W，由公式(1)計算設備所需風量：

(1)

式中：Qf為體積流量(m3/s)；Pr為模塊熱耗(W)；cp為空氣比熱容(J/(kg·℃)),標準大氣壓、常溫25 ℃下取1 005 J/(kg·℃)；ρ為空氣密度(kg/m3)，標準大氣壓、常溫25 ℃下取1.169 kg/m3；T為進出口溫差，此處取10 ℃。

根據風量要求及設備風道流阻特性曲線，選擇風機4412FNH，風機相關參數如表2所示。

表2 風機參數表

(4) 熱仿真

仿真分析采用專業電子設備熱分析軟件FLOTHERM。為精確分析設備散熱能力，對設備三維模型進行簡化，將模塊進出風口用通風板代替，并去掉了模塊結構模型中的圓角、螺孔等幾乎不影響散熱又會引起網格數量劇增的小特征[5]。簡化后的模型導入熱分析軟件FLOTHERM如圖5所示。

根據功耗預估，對各個模塊的發熱源設置相應的發熱功率，熱仿真模型網格劃分時，對風扇及風道區域網格加密，通過局域化網格邊界限制網格最大長寬比，劃分完成后，模型總網格數約為312.2萬，最大長寬比為11。仿真模型模塊殼體材料設定為AL6061。

根據風機的特性參數及設備風道結構形式進行建模，計算風機流阻特性與設計的散熱風道流阻特性的匹配情況。設備風冷散熱冷卻風流分布圖如圖6所示，風機實際工作流阻特性如圖7所示。

仿真環境溫度設置為常溫25 ℃和高溫55 ℃。仿真結果如圖8和圖9所示。

仿真云圖中，左側圖為設備整機水平截面圖，以射頻處理單元中功率管位置為參考。右圖為沿各個模塊長度方向的縱截面圖，以各模塊中熱敏感元器件的位置為參考。

(5) 仿真結果分析

根據圖示可以看出，各個風道的散熱齒間風量分布比較均勻。各風道功耗占比及風量占比如表3所示。

表3 仿真結果數據統計表

環境溫度25 ℃時，最高溫度在射頻處理單元功率管處，最高溫度為68.2 ℃，其余模塊溫度基本在50 ℃以下。環境溫度55 ℃時，射頻處理單元以50%占空比工作，設備最高溫度同樣在射頻處理單元功率管處，最高溫度為97.7 ℃。除射頻處理單元溫度較高外，其余模塊溫度基本在80 ℃以下。

設備中收發處理單元的熱敏感元器件為功率管，結溫225 ℃；信息處理單元的熱敏感元器件為現場可編程門陣列(FPGA)，結溫125 ℃；電源模塊熱敏感元器件為電源模塊，結溫105 ℃。由此可以看出熱設計滿足設備的工作環境要求。

3 結束語

某型數據鏈機載設備熱耗高，要求體積小、重量輕。根據以往機載平臺電子設備的2種結構形式，綜合兩者長處，設計了一種緊耦合的模塊化強迫風冷結構形式，解決了設備高熱耗的散熱問題。

設備已研制樣機，并通過了高溫摸底試驗。強迫風冷的結構設計滿足了設計要求。這種結構形式還具有抗振性好、維修方便等優點，對其他機載電子設備的結構設計有一定的借鑒意義。

[1] 曾瑞.LRM模塊及其相關標準[J].電子機械工程，2007，23(4)：1-5.

[2] 邱成悌，蔣金興.電子設備結構設計原理[M].南京:東南大學出版社，2005.

[3] STEINBERG D S.電子設備冷卻技術[M].李明鎖，丁其伯譯.北京:航空工業出版社，2012.

[4] 丁連芬.電子設備可靠性熱設計手冊[M].北京:電子工業出版社，1989.

[5] 李波.Flotherm軟件在電子設備熱設計中的應用[J].電子機械工程，2008，24(3)：11-13.

DesignofForcedAirCoolingStructureforACertainDataLinkAirborneEquipment

LIU Xin-bo,LI Bing-qiang
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

The heating problem of a certain data link airborne equipment is more outstanding in the process of structural design,so this paper designs a modular forced air cooling box structure of splicing type,which has good radiating ability,and takes into account the environmental adaptability requirements such as weight reduction,salt spray,humidity,vibration and electromagnetic compatibility,etc..During the design process,the thermal simulation software is used to establish the thermal simulation model of the whole equipment and the radiating ability of the equipment in the working course of normal temperature and high temperature is analyzed.The prototype of the equipment has passed the test of high temperature thoroughly,which shows that the structure is feasible and effective.

airborne electronic equipment;thermal simulation;forced air cooling

2017-04-17

TN03

：A

：CN32-1413(2017)03-00109-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.026