雷达电子设备通风口结构对风机性能的影响*

刘 巍，张先锋，关宏山

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

雷达电子设备通风口结构对风机性能的影响*

刘 巍，张先锋，关宏山

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中以某机载雷达电子设备机箱为研究对象，采用Icepak热仿真软件，研究了通风口的面积和长宽比的变化对机箱内强迫风冷散热系统性能的影响。结果表明：在风机型号和机箱内部结构一定时，相比于风机的总通风面积，当通风口的面积过小时，风机的性能较差；随着通风口面积的增加，风机的风量增加，风阻降低；当通风口的面积接近或大于风机的总通风面积时，风机风量较大，再继续增加通风口面积，风机的风量没有明显增加；当通风口长宽比过小时，风机的风量会降低，风阻会增加；当通风口的开口结构与风机的排布方式一致时，风机的性能最佳。

机载雷达；强迫风冷；通风口；热设计

引 言

直升机、无人机等轻型载机具有承载能力小、续航时间短等特点，以其作为雷达的载机，安装空间非常有限，同时机载雷达的工作环境恶劣，所以机载雷达要具备结构紧凑、重量轻、抗震动和冲击性能好、分辨率高、抗干扰能力强等特点，这就需要雷达电子设备的集成度高、功耗大。机载雷达在体积、重量以及耗电量方面都受到严格限制，再加上它工作在严酷的热环境和力学环境之下，因而对热设计和结构设计都提出了更高的要求[1]。

相比于自然冷却方式，强迫风冷具备散热能力强、结构可靠、体积小、重量轻等诸多优势，而相比于液冷散热方式，强迫风冷的冷却介质容易获得，所以强迫风冷仍然是轻型机载雷达电子设备主要的散热方式之一。电子设备强迫风冷系统设计的依据是在额定的耗散功率下，力求使用最小的驱动功率，使元器件温度低于允许的安全工作温度，以确保电子器件的寿命。强迫风冷系统主要由机箱、风机和散热器等部件组成。在电子设备机箱的整体布局确定之后，受雷达结构和重量的制约，给风机选型所预留的尺寸和功耗以及散热器的结构尺寸几乎没有可变的余量。此时，使风机的效率最大化，是提高风冷系统散热能力的有效途径，而通风口的结构会直接影响风机的效率。机载雷达的工作环境恶劣，通风口需要防盐雾和沙尘，而且通风口所在面板上还有电讯接插件的安装需求，因此通风口的尺寸设计同样受到诸多限制。此时，针对风冷系统的通风口进行优化设计，对优化机箱的结构布局和提高散热性能均具有重要意义[2]。本文利用热仿真方法，通过对某型无人机机载雷达天线阵面的通风口进行热优化设计，研究通风口的开口面积及长宽比对风机风量的影响，为电子设备机箱的热设计提供参考。

1 机载雷达天线热设计

天线阵面的整体外形图如图1和图2所示。T/R组件、阵面电源等主要发热器件安装在机箱内部，机箱的尺寸为680 mm × 260 mm × 60 mm，机箱内T/R组件的热耗为216 W，阵面电源的热耗为90 W，其他元器件的热耗为30 W，总热耗为336 W。为了满足散热需求，受机箱结构和空间的制约，强迫风冷系统中共采用了9个EBM直流风机。如图1所示，9个风机等间距地排列在安装面板上，边缘的风机与边框的距离为30 mm，风机型号为412JHH，单个风机重50 g，风机的外形尺寸为40 mm × 40 mm × 25 mm。如图2所示，通风口位于与风机安装面平行的机箱面板上，受机箱结构的限制，通风口的长度不能超过640 mm。

图1 天线阵面的外形结构图

图2 通风口的结构图

图3为机箱内风冷散热系统的原理图。T/R组件和电源分别与散热器成一体化结构，两者的散热器长度和翅片间距相同，气流方向一致，以形成密闭的风道。风机将风送入机箱内，流过T/R组件和电源的散热器，带走热量，最后从机箱上的出风口流出，回到环境大气中。风机的性能曲线如图4所示，最大风量为24 m3/h。

图3 强迫风冷系统的原理图

图4 412JHH风机的性能曲线图

2 热仿真分析和计算

仿真计算采用Icepak商业软件对天线阵面的风冷系统进行建模和分析，对图1中的模型进行简化,忽略对热仿真结果没有影响的部分结构(包括机箱上的凸缘、螺钉、倒角等)，在Icepak软件内建模，最终的热仿真模型如图5所示。深色部分是电源和T/R组件的散热器，发热元件安装在散热器的背板上，按前述结构布局建模，两者的散热翅片相向安装，形成闭合的风道。T/R组件的散热器高20 mm，翅片厚1 mm，相邻两翅片间的间距为3 mm；电源的散热器高15 mm，翅片的厚度和间距与T/R组件的散热器翅片相同。风机模型利用软件模型库中的fans建立，在Properties内风机的性能选择Non-linear, 对图4所示的风机性能曲线进行加载。风机安装在机箱的面板上，安装面与散热器的翅片垂直，以便气流能流过散热器的风道，风机安装面与散热器的距离为10 mm。风机采用吹风形式的冷却效果要好于抽风，所以风机采用向机箱内吹风的形式工作[3]。

图5 热仿真模型图

热仿真模型建好后，采用Hexa unstructured网格对模型进行网格划分，之后采用CFD求解器进行求解[4]。

9个风机的总通风口面积约为11 000 mm2。在风机和散热器不变的情况下，通风口的面积和结构形式会影响风机的性能，风机风量越大，风冷系统的散热性能就越好，反之，风冷系统的散热性能就越差。下面分别从通风口的面积和长宽比2个方面来分析其对风机风量的影响。

2.1通风口面积对风机性能的影响

为了比较通风口面积对风机性能的影响，仿真计算中设计了7个不同尺寸的通风口，保持通风口的长度640 mm不变，宽度分别为5 mm、10 mm、15 mm、17 mm、20 mm、25 mm、30 mm。当机箱上通风口的开口宽度为17 mm时，通风口面积为10 880 mm2，与风机的通风总面积相当。不同宽度的通风口参数对比见表1。

表1 不同宽度的通风口参数对比

在常压和55 ℃环境温度条件下，分别对上述7个不同通风口面积的情形进行仿真计算，并将计算结果表示成单个风机的平均风量随通风口宽度变化的关系曲线,如图6所示。

图6 单个风机的平均风量随通风口宽度的变化曲线图

从图6可知：当通风口的面积明显小于风机的总通风面积时(如通风口宽度为5 mm、10 mm时)，风冷系统的阻力过大，风机的风量受通风口宽度的影响明显；当通风口的面积与风机的总通风面积差距较小时(如通风口宽度为15 mm，20 mm时)，风机的风量受通风口宽度的影响较小；当通风口的面积大于风机的总通风面积，再继续增加通风面积时(如通风口宽度为20 mm、25 mm、30 mm时)，风机的风量增加量很小。

从仿真结果可知，在机箱通风口的设计上，机箱通风口的开口面积选择可以参照对应风机的总通风面积，面积值以接近或大于风机的总通风面积为宜。

2.2通风口长宽比对风机性能的影响

从前面的分析可知，通风口尺寸为640 mm × 17 mm时，通风口的面积为10 880 mm2，风机的效率较高。现保持通风口的面积不变，同时改变长度和宽度(a×b)的尺寸，研究长宽比值的变化对风机性能的影响。在图5的仿真模型中，将通风口长度减小、宽度增加进行仿真计算，尺寸依次为640 mm × 17 mm 、500 mm × 21.8 mm、400 mm × 27 mm、320 mm × 34 mm；对应的长宽比值(a/b)分别为37.6、23、14.8、9.4。

根据仿真结果，不同长宽比时9个风机的风量分布如图7所示，风机的编号为图5中的风机依次从左至右排列。随着长宽比值的减小，通风口的长度减小，宽度增加，通风口的覆盖范围向中心集中，不同风机的风量也呈现出明显的差异，分布在机箱边缘处的风机风量减小，风机效率降低，如编号为1、2、8、9的风机；长宽比值越小，风量受到影响的风机越多，且越明显，如长宽比值(a/b)为14.8、9.4的情形；而处在通风口覆盖范围内的风机，如编号为4、5、6的3个风机，风量几乎不受长宽比变化的影响。由于9个风机呈线性排列，因此通风口的长宽比值对风冷系统有影响，通风口的开口过于集中在机箱面板上的某一部位，长宽比值越小，对风机效率的影响就越明显，进而影响风冷系统的散热性能。由此可知，通风口的设计应尽量与风机的排布方式相适应。

图7 不同长宽比时风机风量的对比图

3结束语

本文对机载雷达电子设备机箱通风口的结构参数进行了分析，通风口的尺寸变化会影响风机的效率，开口面积过小、长宽尺寸与风机排布方式不一致，均会使风机的效率下降。在进行电子机箱通风口设计时，通风口的面积可参照风机的总通风面积进行，通风口的长宽尺寸设计应尽量与风机的排布方式相适应。

[1] 张辉. 某机载雷达风冷机箱设计研究[D]. 南京：南京理工大学, 2013.

[2] 张永存，刘鹏，刘书田. 某电子设备通风口优化设计[J]. 电子机械工程, 2007, 23(6): 20-23.

[3] 魏涛，钱吉裕，孔祥举. 某机载毫米波雷达天线热仿真设计[J]. 电子机械工程, 2014, 30(3): 16-18.

[4] 张学新. 某地面电子设备的热设计[J]. 电子机械工程, 2014, 30(4): 8-11.

刘 巍(1980-)，男，博士，工程师，主要从事雷达电子设备热设计工作。

EffectofIntakeStructureofRadarElectronicEquipmentonFanPerformance

LIUWei，ZHANGXian-feng，GUANHong-shan

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In this paper the effect of the intake area and length-width ratio on the performance of the forced air cooling system in the airborne radar electronic equipment is researched by the thermal simulation software Icepak. The results show that with the fixed fan model and unit internal structure, when the intake area is too small (compared with the total ventilation area of the fan), the performance of the fan is poor; that the wind resistance decreases and the wind of the fan increases with the increase of the intake area; that the wind of the fan is large when the intake area is close to or larger than the total ventilation area of the fan, but it will not obviously increase when the intake area continues to increase; that the wind of the fan will decrease and the wind resistance will increase when the length-width ratio of the intake is too small; that the fan performance is the best when the structure of the intake is accordant with the arrangement mode of the fan.

airborne radar; forced air cooling; intake; thermal design

2015-03-23

TK414.2+2

：A

：1008-5300(2015)04-0009-03