某IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

摘 要：在錯綜復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)爭環(huán)境中，如何應(yīng)對簡易爆炸裝置（IED）帶來的破壞性影響是一項艱巨的挑戰(zhàn)，需要創(chuàng)新的解決方案來減輕或消除這種影響。鑒于此，深入研究了IED干擾裝置設(shè)計中的關(guān)鍵因素，對其中特別重要的散熱結(jié)構(gòu)進行了深入設(shè)計，并通過計算流體動力學(xué)（CFD）模擬和實驗測試驗證了所提設(shè)計的可靠性。CFD模擬由仿真軟件Icepak執(zhí)行，提供了溫度梯度云圖，同時搭建實驗平臺進行測試，得到了證實模擬結(jié)果的實驗數(shù)據(jù)。該研究不僅豐富了IED干擾裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了有益借鑒。

關(guān)鍵詞：IED干擾裝置；散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計；熱仿真；實驗驗證

中圖分類號：TH122""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0065-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.016

0""" 引言

IED干擾裝置的核心功能在于通過發(fā)射特定頻率的電磁波，干擾或阻斷IED的遙控信號，從而防止其引爆。這一過程伴隨著高能耗和顯著的熱量產(chǎn)生，對裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

近年來，熱管理技術(shù)的不斷進步為解決IED干擾裝置的散熱問題提供了新的方案[1]。新技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了散熱效率，還增強了裝置的智能化和自適應(yīng)能力，為提升IED干擾裝置的整體性能奠定了堅實基礎(chǔ)。

IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵在于如何有效地將裝置內(nèi)部產(chǎn)生的熱量迅速導(dǎo)出，并散發(fā)到周圍環(huán)境中，以維持裝置的正常工作溫度。這不僅涉及散熱材料的選擇，還涉及散熱器的設(shè)計，包括散熱片的形狀、尺寸、布局等[1]。本文從設(shè)計需求分析入手，詳細(xì)剖析IED干擾裝置的散熱需求，進行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用Icepak軟件進行數(shù)值模擬，并結(jié)合實驗測試，獲取溫度數(shù)據(jù)，確保設(shè)計的有效性和可靠性[2]。

1""" IED干擾裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

在IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，散熱器設(shè)計、結(jié)構(gòu)布局、散熱材料選擇是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

散熱結(jié)構(gòu)布局設(shè)計方面，本方案充分考慮了IED干擾裝置的內(nèi)部空間限制和熱源分布。散熱器整體布置于IED干擾裝置的下方發(fā)熱區(qū)域，確保熱源與散熱器之間的熱路徑最短，提高熱傳遞過程的導(dǎo)熱效率。同時，散熱結(jié)構(gòu)的布局還考慮了空氣流動的優(yōu)化，通過合理設(shè)計風(fēng)道、進風(fēng)口和出風(fēng)口，引導(dǎo)冷卻空氣流經(jīng)散熱器翅片，增強了對流散熱效果。

材料的選擇上，銅和鋁因其優(yōu)異的熱導(dǎo)率而被廣泛應(yīng)用于散熱器制造，但銅的高成本和鋁的較低熱導(dǎo)率又各自帶來了挑戰(zhàn)[3]。基于成本考慮采用高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁合金，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)200 W/（m·K），遠(yuǎn)高于普通金屬材料，既能滿足散熱要求，又保證了經(jīng)濟性。

散熱器類型的選擇基于對IED干擾裝置功率消耗和熱流密度的精確計算。經(jīng)過綜合考慮，本方案采用了鋁合金制散熱器，其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和輕量化特性，能夠有效降低熱阻，提升散熱效率。散熱器的翅片設(shè)計采用了優(yōu)化算法，通過增加翅片密度和調(diào)整翅片間距，進一步提高了散熱面積，增強了散熱器的整體散熱能力。同時，散熱器上還布置了一系列銅制熱管進行導(dǎo)熱，使散熱器受熱更均勻，可更好地提高散熱效率。IED干擾裝置的功放、電源功耗如圖1所示。

在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化方面，整體散熱結(jié)構(gòu)采用仿煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計（有密閉的風(fēng)道包裹散熱器），即熱源、散熱器在底部，并設(shè)有進風(fēng)口，出風(fēng)口設(shè)置在高處，風(fēng)道內(nèi)空氣經(jīng)過散熱器帶走熱量，沿著升高的風(fēng)道上升，增強了空氣的對流，形成了煙囪效應(yīng)，如圖2所示。為使煙囪效應(yīng)更明顯，在出風(fēng)口設(shè)置排氣風(fēng)扇，IED散熱裝置位于車體前部，進風(fēng)口朝前，即車輛的前進方向，更有利于進風(fēng)；此外，散熱器整體結(jié)構(gòu)大，散熱齒多，散熱面積大，為方便散熱器均勻受熱并更好地散熱，銅制熱管一端布置于高溫區(qū)，另一端布置于低溫區(qū)，散熱器、熱管布置如圖3所示。散熱器與IED干擾裝置之間涂導(dǎo)熱硅脂，并設(shè)置多處鎖緊螺釘，保證接觸的可靠性。

2""" 散熱仿真計算及優(yōu)化

IED干擾裝置散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的仿真過程中，采用先進的熱仿真軟件ANSYS Icepak進行分析計算，旨在通過精確的數(shù)值模擬來驗證設(shè)計方案的合理性[4]。這一過程不僅涉及對散熱器幾何形狀、材料屬性及工作環(huán)境的細(xì)致建模，還包括對熱傳導(dǎo)、對流和輻射等熱交換機制的綜合考量。通過這一系列復(fù)雜的仿真操作，能夠預(yù)測在實際運行條件下散熱結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)，從而為設(shè)計的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

通過Icepak的優(yōu)化功能對散熱器進行優(yōu)化設(shè)計，以功放最高溫度為目標(biāo)函數(shù)，對散熱器翅片厚度、翅片間距及翅片高度三因素進行仿真優(yōu)化計算，綜合考慮散熱器安裝空間、風(fēng)道布置、整機重量要求以及散熱器加工工藝，確定翅片厚度0.8 mm、間距3.2 mm、高度50 mm為最優(yōu)方案。仿真計算結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果顯示，在外界環(huán)境溫度40 ℃條件下，基于設(shè)計結(jié)構(gòu)及風(fēng)機風(fēng)量，功放最高溫度53.6 ℃，滿足溫度要求。

3""" 實驗測試

為驗證仿真的正確性，精心搭建了一個高度模擬實際工作環(huán)境的實驗平臺進行測試。實驗過程中，采用先進的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實時記錄散熱結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)下的溫度變化，從而獲取了一系列關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)。

首先搭建IED干擾裝置散熱實驗平臺，再分別進行以下實驗操作：

1）在室溫（25 ℃）環(huán)境下，IED干擾裝置前向設(shè)備安裝散熱結(jié)構(gòu)進行滿功率工作散熱實驗。

使用溫度計和設(shè)備內(nèi)部的溫度傳感器測量當(dāng)前環(huán)境溫度，并記錄此時起始溫度值與起始時間，再開啟IED干擾裝置滿功率工作，時刻監(jiān)控功放模塊發(fā)熱情況，并記錄功放模塊溫度值和運行時間，直到所有功放模塊溫度達(dá)到恒溫后再關(guān)閉IED所有通道，再次記錄功放模塊溫度值和到達(dá)恒定溫度時間，此時檢測到的功放模塊最高溫度為37 ℃，遠(yuǎn)低于功放模塊容許值85 ℃的要求。

2）在高溫（40 ℃）環(huán)境下，IED干擾裝置前向設(shè)備和后向設(shè)備分別安裝散熱器進行滿功率工作散熱實驗。

在高溫散熱實驗開始前，需要將IED干擾裝置放置在高溫實驗房至少2 h，當(dāng)設(shè)備到達(dá)恒定溫度時，記錄設(shè)備起始溫度值和起始時間，然后開啟IED干擾裝置滿功率工作，時刻監(jiān)控功放模塊發(fā)熱情況，并記錄功放模塊溫度值和運行時間，直到所有功放模塊溫度達(dá)到恒溫后再關(guān)閉IED所有通道，再次記錄功放模塊溫度值和到達(dá)恒定溫度時間，實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

在40 ℃高溫環(huán)境下，IED干擾裝置所有功放滿功率工作約40 min到達(dá)恒溫狀態(tài)，工作170 min內(nèi)最高溫度值為52 ℃，最高溫升為12 ℃，如表1所示。

表1對仿真和實驗結(jié)果的對比分析，驗證了仿真數(shù)據(jù)的有效性及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。

4""" 結(jié)論

本文對IED干擾裝置的散熱進行了比較詳盡的結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計，三維立體建模，并用Icepak仿真軟件進行仿真模擬計算，同時搭建實驗平臺進行驗證，經(jīng)綜合評估，該散熱結(jié)構(gòu)性能可靠。本文的研究可為以后IED干擾裝置的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計提供經(jīng)驗指導(dǎo)，確保裝置的安全、可靠運行。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣金興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2005.

[2] 李慶友，王文，周根明.電子元器件散熱方法研究[J].電子器件，2005，28（4）：937-941.

[3] 黃南，溫志強，榮智林，等.VC技術(shù)在半導(dǎo)體熱管理應(yīng)用的性能研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（7）：143-147.

[4] 尤江，欒鵬文.基于Icepak的電子設(shè)備熱分析與改進[J].建筑電氣，2012，31（11）：58-63.

收稿日期：2024-09-19

作者簡介：蔣知信（1985—），男，安徽濉溪人，工程碩士，工程師，研究方向：機械工程。