机载风冷机架高散热性结构设计与验证*

严 倪，管志宏，刘正伟，张潇然

（1. 海军驻成都地区电子设备军事代表室，四川 成都610036；2. 中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036）

引 言

在我国远洋战略不断发展的背景下，机载平台中针对其设备的模块化、集成化和标准化要求也在逐步提高[1]。机载设备通常采用液冷或风冷方式进行散热降温[2]，而某机型由于受起飞最大重量的限制，采用了可以降低设备重量的风冷方式进行散热降温，即使用风冷机架设备。但是传统风冷机架受工作原理和热传导路径的影响，散热效率不高，常常只能集成功率较低的模块[3]。因此本文将对传统风冷机架结构进行优化设计，改善冷却风的流动形式，以此提高风冷机架的易散热性，进而提高机载设备的集成性和工作效率。

在机载设备与风冷装置的结构设计与散热性研究中，文献[4]对某高热流密度机载通信设备进行了整体结构布局设计，以此提高设备工作时受热量影响的可靠性；文献[5]提出了一种在高温环境下采用强迫风冷散热的密闭机箱，通过让气流在中空盖板内流动来提高发热芯片与空气的换热速度；文献[6]通过建立轴流式风扇模块、散热器等流固耦合一体化的模型，利用空气流场与温度场相匹配的方法，对风冷式电子机箱流固耦合传热特性进行了特性分析和优化。虽然风冷散热是机载设备常用的降温方式之一[7]，但针对提高其散热性结构设计的研究依然较少。随着使用环境越来越多样化和越来越恶劣，传统风冷机架难以完全满足机载设备的工作散热要求，亟需对机载风冷设备的散热优化进行进一步研究。本文设计了在上下冷板之间增设活动风冷隔板的新型风冷机架结构，使风冷隔板与任意安装位置处的现场可更换模块（Line Replaceable Module, LRM）直接接触，对设备进行有效的冷却降温，进而提高机载设备的集成化程度，以此满足实际工程应用的需要。

1 风冷机架工作原理

风冷机架作为多项机载系统设备的重要组成部分，是通过风机冷却或以环控风作为冷却风，由多个机架结构件及风机组件（或飞机环控风入口）组成的综合性设备。风冷机架一般对内部模块的热耗有一定的上限限制，否则无法正常工作。不满足要求的模块目前主要通过2 种方式处理：移出机架，作为独立模块进行单独散热；改变散热方式，由风冷改为液冷，以此提高单个模块的散热能力[8]。上述方式均有极大的局限性，都是以增加设备体积和重量为代价来解决问题。

本文主要针对传导风冷冷却方式的模块化综合机架进行研究。在此模块化风冷机架系统中采用LRM结构，具有通用机械接口，满足LRM 起拔装置、锁紧装置等通用件的统一要求，满足同一功能模块的互换性要求，按功能可以将此风冷机架分为模块承载区域、背板承载区域和对外接口区域3 部分。其中，模块承载区域为机架的核心区域，提供LRM 安装空间、机械接口以及冷却界面；背板承载区域用于安装系统背板，提供LRM 之间、LRM 与机架之间的电器互联；对外接口区域用于对外接口的设置和线缆集束安装，如图1 所示。

图1 风冷机架功能分区示意图

风冷机架通过风机组件冷却或以飞机内的环控风作为冷却风，使冷却风在机架冷板内风道之中流动。模块通过锁紧条与冷板紧密接触，通过散热面和锁紧条将工作产生的热量传递至机架冷板，并由冷板中的冷却风将热量带走沉降，使设备冷却降温，避免温度过高。模块中的热量传导路径如图2 所示。

图2 模块热传导路径示意图

2 风冷机架高散热结构

2.1 机架结构布局

该高散热性风冷机架采取封闭式设计，活动风冷隔板安装在主框架内部。主框架为模块承载区，是机架的核心构件，在其上下冷板的内部集成有风道，LRM 模块在该区域内进行装载。活动风冷隔板为冷却风进风处，装载在主框架内，与高热耗模块接触，可根据实际需要增减数量或调整位置，如图3 所示。

图3 机架结构布局示意图

2.2 活动风冷隔板设计

为提高机架热传导效率，降低LRM 模块温度，在常规冷板结构的基础上，设计了活动风冷隔板。风冷隔板内部为风道，采用下腔体与上盖板焊接为整体的结构形式，下腔体中包含大量一体化的散热柱。风冷隔板在主框架的安装方式如图3 所示。

活动风冷隔板通过前部通孔和后部螺钉孔与机架相连，与高热耗模块相邻接触安装。高热耗模块及机架内部装配完成后，通过模块肋条上的楔形锁紧条的压力，将模块左侧散热板贴在风冷隔板上。此结构将极大地增加散热接触面积，缩短传热路径，减少热阻，将模块内部热量及时导出。活动风冷隔板端口处设置为进风口，因此此处冷却风温度最低。同时，风冷隔板可根据高热耗模块位置灵活移动安装，使高热耗模块始终与风冷隔板大面积接触并处在进风口位置。

2.3 热量传导方式

活动风冷隔板改变了传统风冷机架内部的空气流动方式，使冷却风通过风冷隔板进风口进入，由风冷机架两边冷板端口流出，热量随冷却风导出并沉降，热量传导路径如图4 所示。

图4 热量传导路径示意图

根据机架散热结构，高热耗模块与活动风冷隔板直接接触，主要向顶部导热，因此在此类模块的盖板内增设凸台。同时，在凸台顶部设置0.5 ～2 mm 不等的导热衬垫，用于消除芯片与盖板之间的接触间隙，使芯片产生的热量从盖板路径散出，缩短了热通路径，降低了扩散热阻。

3 实物制造与试验验证

3.1 风冷机架实物制造

在建模软件UG 中对该高耐蚀机载风冷机架进行三维建模。根据结构设计与三维模型，通过备料、铣加工、焊接、防护处理等加工工序，进行实物制造与装配，得到高散热性风冷机架的实际样件，如图5所示。

图5 高散热性机载风冷机架实物图

3.2 结构热测试试验

为验证研究内容的正确性，对风冷机架开展了结构热测试试验，试验现场如图6 所示。此实验使用假模块焊接发热电阻的方式替代发热源模块进行操作，模拟2 种不同情况（活动冷板与发热模块贴合和活动冷板与发热模块分离）对风冷机架的散热降温效果并进行对比验证。

图6 结构热测试试验示意图

这2 种试验情况所采用的环境参数和供风参数完全一致，见表1。测试后的温度结果见表2。试验所用的设备包括发热电阻片、T 分度热电偶、Pt 电阻温度传感器、Agilent 交流电源、Agilent 数采仪、电脑、供风系统等。

表1 试验中环境和供风参数

表2 温度测试结果 ◦C

由试验结果可知，该风冷机架可将高热耗模块内部温度有效降低9.5◦C 左右。

4 结束语

本文针对机载风冷机架LRM 结构存在的模块温度过高的问题，通过设计机架中活动风冷隔板结构，改善了冷却风的流动形式，缩短了LRM 模块的传热路径并减小了散热热阻，提高了模块的散热能力。对风冷机架进行实物样件制造并开展结构热测试，所得结果证明了该研究的正确性和可行性。因此，该风冷机架在不增加机载设备体积和重量的情况下，提高了内部模块的最大热耗上限，可以集成并容纳更大热耗的模块，增强了机载风冷机架的集成性、可靠性和适应性。