某数据链机载设备强迫风冷结构设计

刘新博，李兵强

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)



某数据链机载设备强迫风冷结构设计

刘新博，李兵强

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

某数据链机载设备结构设计过程中发热问题比较突出，为此设计了一种模块化拼接式强迫风冷机箱结构，既具有良好的散热能力，同时兼顾机载设备减重、盐雾、湿热、振动及电磁兼容等方面环境适应性要求。设计过程中应用热仿真软件，建立了整机的热仿真模型，分析了常温和高温工作时设备散热性能。设备样机顺利通过了高温摸底试验，表明该散热结构方案有效可行。

机载电子设备；热仿真；强迫风冷

0 引 言

随着机载电子设备集成化程度的不断提高，散热成为结构设计中非常重要的一个环节。在某型数据链机载设备的研制过程中，由于安装条件的约束，需要设计体积为220(W)×194(H)×400(L)(单位mm)、重量小于15 kg、热耗预估为602 W的数据链机载设备。根据设计要求，充分考虑机载设备减重、盐雾、湿热、振动及电磁兼容等方面的要求，以解决散热问题为第一目标，设计了一种散热性能比较优越的结构形式。

1 结构设计

传统机载电子设备结构有2种：一种是积木拼装式机箱结构；另一种是以现场可更换模块(LRM)为基础单元的综合集成式机箱结构[1]。积木拼装式机箱结构多应用于第2代联合式航空电子系统结构的现场可更换单元(LRU)，具有良好的自然散热性能，减重设计较好实现，但各模块的独立性不高，模块之间多以电缆连接，维修性差。综合集成式机箱结构多应用于第4代综合式航电系统，集成度高，维修性好，但箱体以及各LRM 的外壳使设备重量增加，散热效果较差，抗高强度冲振性方面也面临挑战[2-4]。

本数据链机载设备充分借鉴了前述2种传统机载设备结构的优点。设计思想是：整机参考标准航空机载机箱(ATR)的尺寸和安装使用要求，应用模块化结构设计理念，各功能模块采用传统风冷式的非标LRM模块，以混装母板作为信号交联中枢，以轴流风机作为冷却风源，各模块以积木拼装式结构组合成间接强迫风冷屏蔽机箱。

设备组成包括接口转接单元、收发处理单元、信息处理单元、电源处理单元、射频处理单元和风冷散热单元6个模块。接口转接单元前面板为设备对外接口，与平台相连。风冷散热单元为整机提供冷却风源，同时提供整机定位安装面。

电源处理单元、信息处理单元、收发处理单元和射频处理单元均设计为通风腔式密封屏蔽结构，通过接口转接单元进行信号传输。模块之间通过高速混装连接器连接，实现了盲插，通过互相插合紧固实现电气和机械连接同步到位，同时模块间形成散热风道，从而实现了结构、电气、散热的紧耦合结构。这种结构形式具有体积小、重量轻、散热好、抗振性好、维修方便等优点。设备的结构如图1所示。

2 热设计

(1) 整体设计

整机散热功耗预估602 W，各模块热耗如表1所示。考虑到射频处理单元的热耗占整机的热耗比例高，并且发热大都集中在功率管上，设计时将设备的强迫风冷散热分为两部分，射频处理单元单独为一部分自带风机散热，电源处理单元、信息处理单元和收发处理单元作为另一部分加风机散热(这部分总称为主机单元)。设备散热结构形式如图2所示。

表1 设备各模块热耗表

(2) 风道设计

(a) 射频处理单元风道设计

射频处理单元采用自带风机间接强迫风冷方式，风道设计在模块外侧，与内部电路组件安装空间隔离。对模块内部器件合理布局，将发热量小的组件进行组合，尽量为功率管背腔风道留出空间进行风道设计。风道内散热齿高度29 mm，基底厚度2 mm。散热齿间距6 mm，齿底宽2 mm，齿顶宽1.2 mm。风扇嵌入到散热器中安装以节省空间，风机为吹风安装形式，出风口在射频处理单元的后部。射频处理单元内部风道如图3所示。

(b) 主机单元风道设计

考虑到设备的密封性和电磁屏蔽性，将主机单元设计成独立密封屏蔽的结构形式，模块两侧面作为散热冷板，冷板表面根据风阻特性加工一定高度的散热齿，两模块贴合后形成1组冷却风道。在设备后部安装有轴流式风机，风机为抽风安装形式。冷却气流从设备上部和下部的进风口进入风道，从设备后部出风口经风机流出，带走设备热量。主机单元后部加装风机为电源处理单元、信息处理单元和收发处理单元提供冷却风源。

电源处理单元、信息处理单元和收发处理单元3个模块拼接形成2个风道，风道宽度10 mm。散热冷板上设计厚度1 mm、间隔5 mm的散热齿以增大散热面积。风道中的散热冷板设计形式相似，各模块的主机单元风道设计如图4所示。

电源处理单元发热器件主要是电源模块。电源模块散热面紧贴电源处理单元壳体的侧壁，侧壁外侧加工散热齿。电源处理单元热耗190 W，占主机单元热耗的54%，散热齿高度7 mm。信息处理单元位置在3个模块中间，其热耗占比较小，且分为2个侧壁散热，与电源处理单元贴合面散热齿高度为2 mm，与收发处理单元贴合面散热齿高度3 mm。收发处理单元散热齿高度为6 mm。

(3) 风机选型

风机选型包括射频处理单元的风机和主机单元的风机2种。本文着重阐述主机单元风机的选型。

主机单元热耗为352 W，由公式(1)计算设备所需风量：

(1)

式中：Qf为体积流量(m3/s)；Pr为模块热耗(W)；cp为空气比热容(J/(kg·℃)),标准大气压、常温25 ℃下取1 005 J/(kg·℃)；ρ为空气密度(kg/m3)，标准大气压、常温25 ℃下取1.169 kg/m3；T为进出口温差，此处取10 ℃。

根据风量要求及设备风道流阻特性曲线，选择风机4412FNH，风机相关参数如表2所示。

表2 风机参数表

(4) 热仿真

仿真分析采用专业电子设备热分析软件FLOTHERM。为精确分析设备散热能力，对设备三维模型进行简化，将模块进出风口用通风板代替，并去掉了模块结构模型中的圆角、螺孔等几乎不影响散热又会引起网格数量剧增的小特征[5]。简化后的模型导入热分析软件FLOTHERM如图5所示。

根据功耗预估，对各个模块的发热源设置相应的发热功率，热仿真模型网格划分时，对风扇及风道区域网格加密，通过局域化网格边界限制网格最大长宽比，划分完成后，模型总网格数约为312.2万，最大长宽比为11。仿真模型模块壳体材料设定为AL6061。

根据风机的特性参数及设备风道结构形式进行建模，计算风机流阻特性与设计的散热风道流阻特性的匹配情况。设备风冷散热冷却风流分布图如图6所示，风机实际工作流阻特性如图7所示。

仿真环境温度设置为常温25 ℃和高温55 ℃。仿真结果如图8和图9所示。

仿真云图中，左侧图为设备整机水平截面图，以射频处理单元中功率管位置为参考。右图为沿各个模块长度方向的纵截面图，以各模块中热敏感元器件的位置为参考。

(5) 仿真结果分析

根据图示可以看出，各个风道的散热齿间风量分布比较均匀。各风道功耗占比及风量占比如表3所示。

表3 仿真结果数据统计表

环境温度25 ℃时，最高温度在射频处理单元功率管处，最高温度为68.2 ℃，其余模块温度基本在50 ℃以下。环境温度55 ℃时，射频处理单元以50%占空比工作，设备最高温度同样在射频处理单元功率管处，最高温度为97.7 ℃。除射频处理单元温度较高外，其余模块温度基本在80 ℃以下。

设备中收发处理单元的热敏感元器件为功率管，结温225 ℃；信息处理单元的热敏感元器件为现场可编程门阵列(FPGA)，结温125 ℃；电源模块热敏感元器件为电源模块，结温105 ℃。由此可以看出热设计满足设备的工作环境要求。

3 结束语

某型数据链机载设备热耗高，要求体积小、重量轻。根据以往机载平台电子设备的2种结构形式，综合两者长处，设计了一种紧耦合的模块化强迫风冷结构形式，解决了设备高热耗的散热问题。

设备已研制样机，并通过了高温摸底试验。强迫风冷的结构设计满足了设计要求。这种结构形式还具有抗振性好、维修方便等优点，对其他机载电子设备的结构设计有一定的借鉴意义。

[1] 曾瑞.LRM模块及其相关标准[J].电子机械工程，2007，23(4)：1-5.

[2] 邱成悌，蒋金兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社，2005.

[3] STEINBERG D S.电子设备冷却技术[M].李明锁，丁其伯译.北京:航空工业出版社，2012.

[4] 丁连芬.电子设备可靠性热设计手册[M].北京:电子工业出版社，1989.

[5] 李波.Flotherm软件在电子设备热设计中的应用[J].电子机械工程，2008，24(3)：11-13.

DesignofForcedAirCoolingStructureforACertainDataLinkAirborneEquipment

LIU Xin-bo,LI Bing-qiang
(The 20th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Xi'an 710068,China)

The heating problem of a certain data link airborne equipment is more outstanding in the process of structural design,so this paper designs a modular forced air cooling box structure of splicing type,which has good radiating ability,and takes into account the environmental adaptability requirements such as weight reduction,salt spray,humidity,vibration and electromagnetic compatibility,etc..During the design process,the thermal simulation software is used to establish the thermal simulation model of the whole equipment and the radiating ability of the equipment in the working course of normal temperature and high temperature is analyzed.The prototype of the equipment has passed the test of high temperature thoroughly,which shows that the structure is feasible and effective.

airborne electronic equipment;thermal simulation;forced air cooling

2017-04-17

TN03

：A

：CN32-1413(2017)03-00109-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.026