某電子設備熱結構設計

陳 賀，王成非，范晶晶，朱學凱

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225101）

0 引言

隨著電子技術發展，集成度高、功能性多樣的高功率電子設備在裝備工程領域應用越來越廣。高功率電子設備在全功率發射工作時，發熱量比較大[1]，為了保證裝備的穩定可靠工作，器件要工作在安全的溫度范圍內，需對裝備采取散熱措施[2]。

由于不同電子設備的使用環境不同，采取的散熱方式與結構形式不盡相同[3]。對船載設備，由于使用環境比較惡劣，設備長期處于高溫、高濕的環境中，設備主要采用密閉結構形式，密閉機箱散熱困難，需要把熱量傳導到外壁或經過其他介質帶走熱量，散熱系統比較復雜，設備重量往往比較重[4]；機載與陸基設備有防雨要求的也需要進行密閉設計，內部熱量需要通過熱傳導到設備側壁，通過自然散熱、風冷或水冷等措施進行散熱；對于陸基有防雨無密閉要求的設備，散熱可以通過合理設置風道、風機的合理選型、發熱器件的合理布局，使熱量均勻地分布在散熱板上，利于熱量的擴散等方式進行風冷或多種方式結合的形式散熱[5]。

本文設計了一種體積小、重量輕、高功耗、便攜式多功能電子設備，電子設備工作在與外界環境導通的相對穩定環境中。根據重量與散熱要求，對電子設備進行結構輕量化設計、器件布局、熱設計等。采用強迫風冷與自然散熱相結合的方式，保證了結構的強度與散熱需求。

1 熱結構設計

1.1 結構設計

根據系統總體分配空間與重量，電子設備外形尺寸要控制在600 mm×500 mm×245 mm以內，重量控制在20 kg內。考慮到設備要進行篩選實驗，結構強度要能通過實驗要求，設備總體采用箱式結構設計，中間板為器件安裝件與結構受力零件，結構主要部件為天線罩、側板、中間板、后面板等。主要功能模塊為天線裝置、電源模塊、數據處理模塊、微波模塊、選擇裝置、控制模塊等模塊，結構布局如圖1所示，各功能模塊安裝在中間安裝板上，中間板為主要支撐結構與散熱載體，為了減輕結構重量，中間安裝板在保證強度的前提下進行了輕量化設計。控制模塊電路板產熱量比較大，需要對芯片散熱，利用接觸凸臺與芯片接觸擴散散熱。若在中間板上加工凸臺，中間板的加工量比較大，工藝性不易實現。為了提高中間板的加工工藝性、縮短機加工時間、減少中間板的加工量、減輕中間板的厚度，單獨對控制模塊散熱支撐件進行設計，采用散熱板嵌入中間板并保持凸臺面與中間板器件安裝表面平齊，利于風冷散熱。側板進行了受力部分結構強化，非受力部分進行進行減重設計，通過對結構件進行輕量化設計，設備總質量19 kg，各模塊質量統計如表1所示。

圖1 電子設備結構布局

表1 設備重量統計表

1.2 熱設計

設備在信號發射、接收、處理過程中會產生大量熱，如果熱量不能及時散出，熱量在設備內部大量堆積，溫度不斷升高超過器件的工作許用溫度，會影響設備內部元器件的處理性能與可靠性。設備內部主要產熱模塊為電源模塊、微波模塊、控制模塊，各模塊的熱功率及產熱面積如表2所示。電源模塊與微波模塊背部有翅片結構，增加了與空氣的熱傳導效率，通過中間板的熱傳導，熱量一部分通過風機風量帶走排出設備，另一部分通過翅片傳導到中間板另外一側；控制模塊的熱量通過均熱板散熱、翅片自然散熱、風冷散熱相結合的方式進行，均熱板嵌入中間板并保持凸臺面與中間板器件安裝表面平齊，避免產生紊流，利于風冷散熱。

表2 模塊熱耗統計表

控制模塊散熱板結構如圖2所示，微波模塊與電源模塊的散熱齒結構如圖3所示。

圖2 控制模塊散熱板結構

圖3 微波模塊與電源模塊散熱齒示意圖

2 熱計算

2.1 散熱效率計算

根據設備內部布局，熱源主要集中在中間板上，中間板的單側面積為A=56 cm×66 cm=3 696 cm2，中間板上的總熱量φ=50+105.6+50=205.6 W，可計算得出中間板上的熱流密度φ=Φ/A=0.055 6 W/cm2。熱流密度φ的值已經大于溫升40℃時自然冷卻允許的最大熱流密度0.04 W/cm2，小于強迫空氣冷卻允許的最大熱流密度0.31 W/cm2，因此，機箱中間板表面需通過強迫風冷進行散熱[6]。設備內部風機散熱的體積為：V=56 cm×66 cm×12.3 cm=45 460.8 cm3；設備內部體積的熱流密度φV=φ/V=0.004 5 W/cm3，φ小于自然冷卻時的內部最大體積熱流密度0.009 W/cm3，也小于金屬傳導最大體積熱流密度0.12 W/cm3。

只分析電源模塊、微波模塊、控制模塊局部區域的熱流密度φJ=φ/AJ=0.333 W/cm2，大于強迫空氣冷卻允許的最大熱流密度0.31 W/cm2，考慮到熱量傳到的速率與效率，設備采用強迫風冷進行散熱，發熱模塊安裝局部區域的體積熱流密度為φVJ=φ/VJ=0.027 W/cm3，大于自然冷卻時的內部最大體積熱流密度0.009 W/cm3，但小于金屬傳導最大體積熱流密度0.12 W/cm3，采用風冷散熱，金屬傳導方式并兼顧導熱系數為5.5 W/(m·K)的傳熱材料，能夠滿足散熱要求。

2.2 強迫風冷散熱計算

為了使系統散熱效率更高，采用風機進行強迫風冷散熱，強迫風冷計算主要是在滿足散熱要求時，求風量的大小，根據熱平衡方程，強迫風冷所需風量：

式中：φ為總熱耗；C為空氣比熱；ΔT進出口空氣溫度差；ρ為空氣密度。

假設環境最高溫度為40℃，出風口溫度60℃，空氣溫升20℃。按50℃時空氣為計算標準，其中參數C=1 005 J/(kg.℃)、ρ=1.093 kg/m3，黏度因數v=18.97×10-6m2/s，可以求出Q=0.009 4 m3/s。

風道按風扇的直徑大小計算，截面積S=π(d/2)2，d=0.09 m，空氣流速為?=Q/S=1.48 m/s。Re=?d/v=7 021＞2 200，空氣流動狀態為紊流。沿程阻力系數為f=0.314Re-0.25=0.314×0.129=0.041。則風機的壓力為：

局部阻力系數μ=5，得P=7.73 Pa。

根據求得的風量、風壓、速度、散熱效率及工作余量等方面因素，選擇風機San Ace 9GA0912P1H03，根據計算可知，風機風量能夠滿足散熱要求。風機風量與風壓關系如圖4所示。

圖4 風機風量與風壓關系

3 熱仿真

應用FloEFD仿真軟件對設備工作狀況進行仿真。設定外界環境溫度為40℃，設備工作在全功率即所有發熱器件熱耗最大。電子設備周邊框架與中間板材料為鋁合金5A06，導熱有機材料導熱系數為5.5 W/(m·K)。

劃分網格時，對微波模塊、電源模塊、控制模塊的散熱齒、接觸凸臺、散熱材料等進行單獨網格劃分，對非主要產熱模塊進行統一網格劃分[7]。

在外界環境40℃，設備周邊溫度達到穩態時的電子云圖如圖5所示。從仿真結果可知，采用此結構布局方式，溫度最大處為微波模塊處72℃，在元器件允許工作溫度范圍內。電源模塊、控制模塊溫度在53～65℃之間，也在工作允許范圍內。

圖5 穩態時電子設備溫度云圖

4 結束語

通過對設備的結構設計、器件布局、散熱計算、風機選型、散熱仿真結果可知，設備滿負荷運行時微波模塊、電源模塊、控制模塊未出現局部溫度過高現象，器件最高溫度小于許用溫度，說明散熱設計可以滿足使用要求。根據散熱流動分布云圖（圖6）可知，散熱模塊布置比較集中，主要依靠一個風機的風量散熱，雖然滿足使用要求，但溫度梯度較大，另外兩個風機風量位置溫度梯度較小，熱量較少。為了能夠更快速進行散熱，使設備內部的溫度分布更均勻，降低溫度梯度，微波模塊、電源模塊、控制模塊可以根據風機的位置布置進行結構布局優化。

圖6 電子設備散熱流動云圖