某彈載電子機箱的熱設計

張新東，金旸霖，韓文靜

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海 200331)

0 引言

彈載電子機箱具有體積小、重量輕、總功耗大的特點，其工作環境較為特殊，需要在密閉的振動環境下短暫性工作，在一定時間段內滿足振動沖擊、電磁屏蔽以及散熱的要求[1]。由于機箱內部電子集成度非常高，全功率工作下電路元器件發熱較大，熱量積聚導致機箱內部溫度不斷升高。據統計機箱內部每升高10 ℃，其可靠性就會下降60%，這對機箱的散熱提出了很高的要求[2-3]。

由于彈載工作環境嚴苛，機箱不能使用液冷或風冷散熱，因此只能采用殼體表面導冷的方式。正常工作情況下，機箱內部子卡模塊電路元器件發熱，熱量通過模塊殼體傳到機箱殼體上，再與外部空氣進行熱交換。為提高熱傳遞效率，在不影響機箱整體振動沖擊性能的前提下，優化殼體翅片參數，改善機箱框架，引入新型冷板工藝，通過對均溫板和儲熱板殼體的仿真與實驗分析，探索機箱散熱與儲熱的新設計，以保證彈載電子機箱的正常工作。

1 總體布局

該彈載電子機箱按照VITA74標準框架搭建，其內部有4個子卡模塊，機箱框架采用一體焊接形式，提高機箱的整體強度[4]。子卡模塊殼體通過機箱限位槽限位，而非鎖緊條固定，增加機箱裝配和調試的便易性，機箱結構如圖1所示。子卡模塊殼體的2個側面和頂面與機箱框架接觸，實現熱量傳遞。機箱殼體帶有翅片，提高機箱與外部空氣熱傳導效率，降低內部環境溫度，熱量傳導如圖2所示。

圖1 機箱結構示意

圖2 機箱熱傳導示意

2 機箱殼體的熱設計

該彈載電子機箱內部有4個子卡模塊，全功率工作功耗120 W，初始環境溫度65 ℃，工作10 min后停止，考慮到機箱內部電子元器件工作溫度為-60 ℃～+120 ℃，即子卡模塊殼體工作10 min時，內部最高溫度不超過120 ℃，則滿足機箱溫升要求。

在密閉機箱中，主要靠機箱表面與空氣的熱交換，機箱表面空冷公式[5]為

(1)

Qs為發熱量；D1為傳熱系數，與環境和傳熱材料的物理性能相關；Seq為機箱與空氣接觸的表面積；△Ta為環境溫度差。

2.1 機箱翅片的熱設計

合理優化機箱表面翅片參數，提高機箱空冷性能。由式(1)可得，機箱殼體的散熱性能與Seq接觸面積呈正相關，但彈倉空間狹窄，機箱底部與前后蓋板處需鎖緊，因此只能在機箱的頂部和兩側面設置翅片。翅片的高度、厚度和間隙都會影響到散熱效率[6]，自然對流后，翅片的高度越高，散熱效果就越好，但由于空間限制，翅片的高度選擇最大3 mm；通過Icepak軟件進行熱仿真計算優化，當翅片間距設置為5.5 mm 時，空氣對流效果最好；當翅片厚度為1.5 mm時，電路元器件10 min時溫度最低。機箱仿真結果如圖3所示。機箱表面溫度最高為135 ℃，出現在與子卡模塊接觸的面上，元器件最高溫度157 ℃，出現在第三個模塊內部電路上。在求解過程中，忽略了所有螺釘孔以及與散熱翅片傳熱關系不大的局部部件。

圖3 機箱內部溫度分布云圖

2.2 機箱框架的改善

改善電子機箱殼體框架，提高機箱與子卡模塊間的傳熱效率。模塊殼體與機箱框架通過接觸傳熱，但兩者之間接觸的表面很難完全貼合，因此熱傳導的過程中必然存在接觸熱阻。通過在接觸面涂覆導熱硅脂，減小接觸熱阻增大傳熱系數，強化散熱效果[7]。但通常機箱框架為保證機械強度，焊接成一體式，模塊殼體接觸面涂了導熱硅脂后，從上向下插入機箱，由于加工誤差和表面粗糙度的影響，導熱硅脂極易分布不均，使得接觸面不能完全貼合。現將一體式機箱框架改為分離式，在不影響結構強度的前提下，將左右兩側翅片板做成可拆卸式，如圖4所示。改善后的機箱框架強度滿足要求，在機箱兩側翅片板和模塊殼體接觸面上分別涂抹導熱硅脂，最后用螺釘鎖緊兩側翅片板，通過擠壓讓接觸面完全貼合。

圖4 分離式機箱翅片示意

將機箱放置于65 ℃的密閉環境試驗箱中，機箱全功率工作10 min后停止，采用紅外線測溫儀進行測溫。分別對5個同一型號的傳統機箱框架和改善后的框架進行試驗，機箱內部發熱器件最高溫度如表1所示。由表1可知，改善后的機箱每次裝配后，測量接觸面的溫度一致性較好，而改善前的機箱由于裝配順序和導熱硅脂分布不均，接觸面的溫度最大差約為7 ℃。機箱測試溫度曲線與仿真曲線的趨勢相同，仿真與試驗發熱件最高溫度誤差在10%以內。因此改善后的機箱框架既提高了產品散熱效果，也增加了產品的可靠性。

表1 改善前后機箱內部最高溫度實驗記錄

3 子卡模塊的熱設計

子卡模塊由模塊殼體、連接器和電路板組成，每個模塊功耗不同，該機箱內部溫度最高出現在第三個模塊，其溫度為157 ℃，如圖3所示。建立印制板上的芯片模型，在模塊殼體上挖出相應的槽深，如圖5所示。在電路板元器件表面和模塊殼體槽內涂抹導熱硅脂，用螺釘將印制板和模塊殼體鎖緊，使得發熱芯片表面與模塊殼體通過導熱硅脂完全貼合，提高導熱系數。

圖5 模塊殼體示意

3.1 均溫板殼體

引入均溫板工藝，提高模塊殼體的導熱效率。子卡模塊殼體的材料為鋁合金6061，導熱率為198 W/(m·K)，導熱率較差。在模塊殼體內部做襯熱管(均溫板)，在熱管內部填充丙酮，改善殼體局部過熱現象，增強散熱平面方向的導熱能力，如圖6所示。通過Icepak仿真計算得到，600 s時第三個殼體模塊上最高溫度為103 ℃，較鋁合金冷板，散熱效果提高34%，滿足機箱溫升的要求，仿真結果如圖7所示。

3.2 儲熱板殼體

由于彈載電子機箱為短暫性工作，引入儲熱板工藝，將電路熱量儲存而非散出，保證其工作10min時內部最高溫度不超過120 ℃。彈艙為密閉空間，內部各種電子設備均發熱，隨著彈艙溫度不斷升高，電子機箱向外散熱效率不斷變差。因此考慮在模塊殼體內部盡可能多地填充石蠟等儲熱材料(儲熱板)，將電路元器件發熱量存儲起來，再通過殼體翅片緩慢散熱，減輕彈艙的溫升壓力。通過Icepak軟件仿真計算得到，600 s時模塊上最高溫度為95.8 ℃，滿足機箱溫升要求，仿真結果如圖8所示。后續模塊設計可通過增大子卡模塊的體積來增強模塊的儲熱性能，進一步降低內部電路工作溫度，從而保證彈載機箱的正常運行。

圖6 模塊殼體示意

圖7 模塊(均溫板)殼體示意

圖8 模塊(儲熱板)殼體示意

3.3 模塊殼體實驗分析

將機箱放置于65 ℃的密閉環境試驗箱中，機箱全功率工作10 min后停止，采用紅外線測溫儀進行測溫。機箱內部模塊殼體分別采用鋁合金、均溫板和儲熱板，其他條件均一致，進行對比實驗。在機箱全功率工作下，隨時間增加，機箱內部溫度上升情況，機箱內部溫升曲線如圖9所示。

由圖9可知，鋁合金模塊的機箱在全功率工作下，隨著時間變化，發熱量不斷累積，其溫度不斷升高，600 s時最高測量溫度為143 ℃，與仿真溫升曲線趨勢相同。均溫板模塊的機箱隨著時間變化，其溫度不斷上升，上升曲線斜率不斷減小；由式(1)可知，內外溫差不斷增大，其傳熱效率不斷提高，溫度上升變慢，理論與實際相符；600 s時最高測量溫度為101 ℃，與仿真結果誤差在5%內。儲熱板模塊的機箱隨著時間變化，其溫度不斷上升，上升曲線斜率不斷增大，與均溫板變化情況相反；儲熱板殼體由內部儲熱材料進行吸熱，儲熱材料溫度升高，其吸熱效率降低，而熱量只能通過殼體鋁合金接觸散熱，散熱效率較差，熱量累積后機箱后期溫度上升較快，與實際情況相符；600 s時最高測量溫度為92 ℃，與仿真結果誤差在5%內。因此，針對彈載環境下的機箱熱設計，儲溫板殼體比均溫板殼體和傳統鋁合金殼更滿足其溫度要求。

圖9 機箱內部溫升曲線

4 結束語

為了滿足彈載電子機箱所處惡劣的環境條件，對機箱框架和內部模塊進行熱設計工作。通過散熱的理論和仿真分析，合理分布機箱表面翅片；通過仿真與實驗相結合的方式，改善機箱架構提高了機箱的傳熱效率，對比不同材料的模塊殼體，得到儲溫板殼體比均溫板殼體和傳統鋁合金殼體更滿足彈載機箱的溫度要求。該方法為后續各類密閉機箱的熱設計，提供了參考和借鑒。