某电子设备热设计分析与工程设计

杨少华 董吉印 刘兵

【摘要】随着电子产品的飞速发展，雷达等电子设备集成度的不断提高，热设计成为电子设备结构设计中的重要部分。本文通过对某电子设备的热分析及热计算，进而对该雷达进行了总体热设计理论校核分析，并通过高低温及外场试验进行了验证。

【关键词】热设计;自然散热;自然对流和热辐射

1.前言

热设计是电子设备设计的重要内容之一，是保证整机性能、提高整机可靠性的重要因素。本文为了保证某电子产品在指标要求的温度下可靠的工作，根据其耗散功率，元器件集中程度，元器件温升以及环境温度要求、可靠性指标等进行分析，选择合适的散热手段。

2.散热方式的选择

本文研究对象的结构形式如图1所示。

图1 某电子设备的结构示意图

其特征尺寸为：V=53×40×30=63600㎝3

则：体积热流密度q（体积发热系数）为：

q=P/V=280/63600=0.0044（W/㎝3）

图2 体积发热功率系数

图3 行波管安装示意

由图2所示的各种冷却方式的冷却能力范围看，该设备的热流密度q为0.0044W/㎝3小于自然散热方式的能力限值（0.009 W/㎝3），采用自然散热的方式是可行的，为可靠起见，尽量采用金属导热的形式对主要发热部件如行波管等进行冷却，在结构设计中，铸件舱体外增加了加强筋，在提高了整个铸件刚度、强度的同时增大散热面积;在行波管的安装处设计了铝合金导热风道，安装了风机，行波管紧贴风道安装，涂导热膏，风道紧贴舱体侧壁安装，均保证压力在20㎏/㎝2左右，如图3所示。这样行波管散出的热量通过铝合金风道一部分传导到舱壁，一部分被及时带走，在舱体内部形成循环，使舱体内部温度均匀，机箱内表面氧化成黑色，热量通过金属传导到外表面，使舱壁各面均参与换热，从而达到降温的目的。

3.热设计校核计算

该电子设备的总功率约为280W，其中主要发热体为行波管，根据行波管的工作效率情况，我们按照其中80%的功率产生热量来计算散热。即需散去的热量为：

Q总=280×80%=224W。

自然散热的方式主要是通过两种途径，自然对流和热辐射。

通过自然散热散去的总热量为：Q总=Qc+Qr

其中：Q c为自然对流散去的热量;Qr为热辐射散去的热量。

机箱内允许达到的最高温度为：+70℃;外界环境温度取：+50℃

先计算自然对流散去的热量Q c：

Q C=αSΔt                      ①

式中：α为对流放热系数;S为表面积;Δt为机箱表面与外界环境的温度差。

②

式中：为努谢尔特数;λ为导热系数;L为特征尺寸。

根据自然对流换热的通用准则方程：

③

式中：Ra=Gr·Pr为雷莱数;Gr为葛拉晓芙数;Pr为普朗特数;C为系数;n为指数（层流时取，紊流时）。

其中：Gr=;β为体积膨胀系数;v为运动粘度。

定性温度为：

tm=（70+60）/2=60℃;

特征尺寸取侧壁高：

L=0.3m;

β=;

查表得：

Pr=0.696;

λ=2.90×10-2W/m℃;

v=18.97×10-6m2/s

则：葛拉晓芙数：

Gr=

雷莱数：Ra= Pr·Gr=0.696×4.42×107=3.07×107<109

由此可知各侧面属于层流换热;但在顶面上有2×107

图4 加强散热筋结构形式

现将各换热面参数及可散去热量根据查表及式①、式②、式③计算后列表如表1所示：

表1

由表1可得：通过自然对流散去的热量QC为：

QC=36.12+16.93+7.21+29.68=89.94（W）

再计算热辐射散去的热量Q r：

Qr=5.67S

式中：S为表面积;T1为舱体表面温度;T2为周围环境温度;ε为系统黑度系数（雷达外表面涂绿色防护漆：ε取0.9）。

S=0.426+0.284+0.284+0.35=1.344㎡

则：Qr=5.67×1.344×（3.434-3.234）×0.9=202.79W

通过自然散热可散去的总能量为：

Q总=Qc+Qr

Q总=89.94+ 202.79=292.73W>224W

4.结论

通过以上校核计算可以看出通过自然散热散去的热量大于舱体产生的热量，可见按其结构形式和功能参数在上述热设计措施的条件下，采用自然散热的热设计是可以满足该电子设备的环境和温升要求。该设备在经过12小时连续试验及高低温循环实验后设备工作正常;在外场试验中，外界环境温度45℃左右，连续工作8小时以上，设备工作正常，设备内部温升满足指标要求。

参考文献

[1]赵惇殳等.电子设备结构设计原理（第一册）[M].江苏科学技术出版社，1986.