某機載密封風冷機箱散熱設計

朱恒義，關學剛

(中國電子科技集團公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

機載密封風冷機箱應用于艦載機上，長期工作在海洋環境下，且時常不間斷工作，為使其在海洋惡劣的環境下能夠正常工作，需對機箱采取密封設計。機箱作為機載設備，重量要求比較苛刻，必須進行輕型化設計。機箱內部是由高功耗電子元器件組成的，發熱量大，隨之帶來的就是元器件在密封環境下的散熱問題。單個發熱器件散熱效果直接影響設備性能及使用壽命[1]，因此，必須對機箱進行合理優化設計，使其滿足海洋性環境(主要為酸性鹽霧及酸性大氣)要求。

1 整機設計

1.1 機箱結構設計

機箱采用強迫風冷散熱形式，整體框架及風道采用焊接形式，前后面板與焊接箱體配合處設計有密封圈安裝槽，采用雙峰型導電密封圈進行密封，從而形成全密閉機箱形式。

機箱上頂板和下底板直接設計了風道，風扇裝于機箱頂部，機箱內部上頂板及下底板處設計多對插槽，每對插槽上安裝1只模塊，模塊通過楔形鎖緊裝置固定于插槽中，模塊熱量通過散熱板傳至風道板，再通過強迫風冷對流方式將熱量帶走，每只風道可用于2只模塊的散熱，機箱結構形式如圖1所示。在整個散熱過程中，氣流只在風道內流通，不與模塊的電子元器件直接接觸，使機箱內部與外界完全隔離，達到全密閉空間，從而實現防塵、防腐要求。

圖1 機箱設計示意圖

1.2 模塊設計

散熱冷板根據印制板上的芯片分布設計，芯片殼體通過柔性導熱襯墊，貼于冷板凸臺上，芯片產生的熱量通過凸臺直接傳至冷板，再由冷板傳至風道，以強迫風冷的方式將熱量帶走，模塊散熱示意如圖2所示。

圖2 模塊散熱示意圖

2 熱分析

機箱總功耗為509 W，其中模塊與風道排布見表1及圖3，其中有2組模塊共用1個風道，以最大化實現重量控制，提高散熱效率。

表1 機箱模塊功率分布

圖3 機箱模塊與風道排布示意圖

整個設備設計完成后，使用ICEPAK軟件對機箱進行熱分析[2]，環境溫度為70℃。機箱冷卻工作模式見圖4，機箱內溫度分布見圖5，關鍵模塊溫度分布見圖6及圖7。

圖4 機箱冷卻模式示意圖

圖5 機箱溫度分布示意圖

圖6 功能模塊溫度分布示意圖

圖7 電源模塊溫度分布示意圖

由圖6及圖7可知，功能芯片殼溫為84 ℃，電源模塊溫度最高為88.7 ℃，根據工業級芯片標準，功能芯片最大允許殼體溫度為85 ℃，電源模塊允許溫度90 ℃，設計滿足要求。

3 結果分析

本文設計的風冷密封機箱，在高溫箱內能夠正常工作，達到了以下功能：

(1) 高溫環境下，熱量通過冷板由強迫風冷的方式帶走，至模塊散熱凸臺，最大溫升18.7 ℃，設計時需根據各芯片的耐溫能力，合理優化模塊布局；

(2) 機箱內增加或減少模塊，需通過熱分析仿真驗證散熱的可行性，合理地排布風道。

4 結束語

該機箱已經過氣密性檢驗，并通過了高溫試驗。通過強迫風冷散熱方式解決了密封機箱大功耗散熱問題，提高了設備在海洋工作環境下的可靠性，降低了維護費用，通過軟件在產品設計階段對其進行熱仿真分析，合理優化設計機箱風道排布，使模塊工作溫度在允許的溫度范圍內，從而減少設計、生產、再設計和再生產的周期，提高產品的一次性成功率，同時為該類別的密閉機箱設計提供了參考，具有較好的指導意義。