車載發(fā)射機(jī)密封機(jī)箱的結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計

文/白宗旭 李佳 黃小丹

發(fā)射機(jī)對結(jié)構(gòu)散熱要求高，一般利用艙內(nèi)環(huán)控條件冷卻，通過同軸電纜與艙外天線連接。但電纜增加了相關(guān)損耗，將發(fā)射機(jī)安裝在天線附近，可有效降低饋線差損，滿足系統(tǒng)輻射功率指標(biāo)要求。

為滿足防淋雨和防塵的要求，發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)采用密封機(jī)箱形式；同時對機(jī)箱散熱優(yōu)化設(shè)計，滿足發(fā)射機(jī)在高溫條件下的工作要求。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

該密封機(jī)箱尺寸為550mm×450mm ×195mm（不含風(fēng)機(jī)組件），內(nèi)部模塊總功耗約為1310W。設(shè)計要求滿足45℃環(huán)境，無系統(tǒng)環(huán)控條件可用。

機(jī)箱平均熱流密度已超過自然對流散熱閥值，需用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式進(jìn)行冷卻。為利用風(fēng)冷板安裝面并滿足密封、減輕重量等要求，將強(qiáng)制風(fēng)冷板布置在機(jī)箱中部。模塊安裝風(fēng)冷板上下兩側(cè)，通過風(fēng)機(jī)組件中并聯(lián)的風(fēng)機(jī)抽風(fēng)對機(jī)箱散熱。見圖1。

2 機(jī)箱的密封結(jié)構(gòu)

機(jī)箱上下腔及冷板采用鋁合金釬焊一體化加工成型，加工后可采用充氣加壓的方式檢驗各個側(cè)板接縫處密封性。

2.1 橡膠密封原理

機(jī)箱與蓋板安裝面之間靜密封，橡膠密封圈安裝在凹槽內(nèi)。見圖2。

橡膠密封圈變形前高度H1，變形后的高度H2，密封圈變形量：

在ε=10%的情況下，即使壓縮后的高度H2小至0.01，仍會無法對水密封。當(dāng)增大至20%～30%時，橡膠彈性變形作用讓密封圈緊貼裝配面，達(dá)到可靠密封。當(dāng)變形量超過30%以后，橡膠疲勞易出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致密封失效。故變形量取20%～30%為宜。

2.2 密封材料及安裝形式

橡膠材料彈性好、耐老化以及耐高低溫。加入鋁鍍銀等金屬粒子后，橡膠導(dǎo)電性可以提高機(jī)箱的電磁屏蔽性能。本機(jī)箱密封選用鋁鍍銀粒子的導(dǎo)電硅橡膠材料。

安裝面通過合理設(shè)計密封槽尺寸，裝入硅橡膠墊達(dá)到密封效果，連接器須選用防塵防水等級。

2.3 密封機(jī)箱的加工檢驗

采用釬焊加工提高自身密封性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，焊接前分別加工各板，通過工裝定位后釬焊，并用打壓試驗檢驗是否泄漏。

3 熱設(shè)計

發(fā)射機(jī)內(nèi)所有模塊功耗將熱量傳導(dǎo)至風(fēng)冷板，空氣通過風(fēng)冷板翅片產(chǎn)生熱交換。考慮到氣溫及車載環(huán)境影響，設(shè)定入口溫度為45℃。

3.1 散熱計算及風(fēng)機(jī)選擇

發(fā)射機(jī)風(fēng)冷板的供風(fēng)量Q 主要取決于總功耗P 和風(fēng)冷板進(jìn)、出口空氣的溫差△t，熱平衡方程為：

式中，P=1310W，Cp=1005 J/Kg· ℃，ρ=1.1105kg/m3。△t 為風(fēng)冷板進(jìn)、出口空氣溫差，在電子設(shè)備強(qiáng)迫風(fēng)冷設(shè)計中，空氣進(jìn)、出口溫差不應(yīng)超過14℃，根據(jù)經(jīng)驗取值△t=10℃。

初步根據(jù)工程經(jīng)驗確定風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)，選用3 個PMD2412AMB1-A 軸流風(fēng)機(jī)并聯(lián)，該風(fēng)機(jī)工作最高環(huán)境溫度70℃，防塵防水等級IP55，滿足使用環(huán)境要求。

3.2 有限元仿真分析

利用IcePak 建模仿真，功耗最大的功放模塊中GaN 芯片功耗120W，熱阻0.9℃/W，通過共晶焊接至載板安裝。見圖3。

結(jié)果表明，風(fēng)機(jī)出口平均溫度為56.1℃，系統(tǒng)進(jìn)出口溫升為11.1℃，驗證了發(fā)射機(jī)散熱方案設(shè)計的合理性。

GaN 芯片結(jié)溫為182.4℃，低于最高工作結(jié)溫225℃。該密封結(jié)構(gòu)設(shè)計有效可行，滿足要求。

圖1：發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

圖2：橡膠密封原理圖

圖3：風(fēng)冷板仿真分析結(jié)果

4 結(jié)論

密封設(shè)計和大功率器件散熱設(shè)計是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)。本文探討的大功率車載固態(tài)發(fā)射機(jī)的密封機(jī)箱結(jié)構(gòu)形式，具備良好的密封機(jī)散熱性能，可以滿足發(fā)射機(jī)密封和散熱的要求，對于大功率密封發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有工程借鑒意義。