一种军用通信设备的热设计方法

龚昌星 廖西斌 崔中涛 刘秋生 范朝元 刘 丰

（重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030）

随着社会的发展，人们对通信质量提出了更高的要求，意味着通信设备的各项性能需要不断加强。基于此，通信设备体积不断变小，性能不断增强，导致设备中的热流密度急剧上升。因此，在产品设计初期对设备进行热设计变得尤为重要。本文通过三维软件和热仿真软件进行产品的初期设计，通过不断仿真和修改产品三维模型设计理想的产品。这样能够缩短研发流程，降低设计成本，提高产品稳定性，为密闭电子设备结构改善和温度特性优化提供参考。

1 案例分析

1.1 需求描述

要求该密闭通信设备能在最高环境温度为71 ℃时正常工作。设备整体结构采用5A06防锈铝机械加工而成，表面处理采用喷漆处理。设备外形尺寸为340 mm× 134 mm×230 mm（B×H×D）。设备内主要发热器件如下：①功放模块，功耗80 W，稳定工作最高温度为95 ℃；②电源模块，功耗为15 W，稳定工作最高温度为95 ℃；③中央处理器（Central Processing Unit，CPU），功耗7 W，稳定工作最高温度为95 ℃。

1.2 散热方式的选择

如图1和图2所示，当设备温升为40 ℃，热流密度大于0.04 W·cm-2或者体积功率密度大于0.09 W·cm-3时，不能采用自然冷却的方式。

设备表面积A和设备体积V分别为：

带入数值，可得A为2 309.6 cm2，V为10 478.8 cm3。 于是，可得热流密度为0.044 16 W·cm-2，体积功率密度为0.009 733 9 W·cm-3。

根据计算结果，该设备的热流密度大于0.04 W·cm-2且体积功率密度大于0.09，所以选择风扇进行强迫风冷散热。

1.3 强迫风冷的计算

1.3.1 强迫风冷所需风量

由文献[1]可知，强迫风冷所需的风量Q为：

式（3）中：Q为风量；W为功耗；Cp为空气定压比热容，取值为1 008 J·kg-1·℃-1；Δt为系统内温度与环境温度之差，取值为22 ℃；ρ为空气密度，取值为 1.027 kg·m-3。相关数值代入式（3），可得强迫风冷所需风量Q约为0.004 478 m3·s-1。

1.3.2 选择风扇

根据实际情况选择一种现有的风扇，其稳定工作风量为0.001 670 m3·s-1。对比计算结果可以看出，用3个风扇的稳定工作风量是合适的，但是因为要留有散热余量，再加上风量要均衡，最终选用4个风扇并联。通过实践证明，这样设计完全满足要求。

根据文献[2]、文献[3]可知，在实际使用中，选择风扇时能够通过不同的空气流量计算出系统的静压损失，从而制出系统的空气阻力曲线得出风扇的工作点。通过该工作点的风压和风量与计算出的系统需要的静压损失和风量进行对比，有助于选择合适的风扇。

1.4 模型的建立

根据不同模块的功耗和安装方式，将设备的功放模块和CPU与机箱底部接触散热，电源模块与机箱前面板内表面接触散热，如图3所示。因为设备采用防水设计，所以机箱主要发热模块的散热只能通过传导散热，然后通过机箱底部的风扇将机箱内部热量带出，同时机箱四周的散热齿起辅助散热效果。因为功耗主要集中在机箱底部，所以在机箱底部设计风道，并对机箱底部发热模块进行强迫风冷散热。

1.5 风道设计

由文献[3]、文献[4]可知，设计风道需考虑以下基本原则。第一，为了增强散热效果，流过散热筋之间的空气流速和体积流量越大越好。第二，减小风道的粗糙度，从而减少空气压力的损失。第三，需要保证热空气能够顺利排出出风口。

根据以上基本原则，本设备的风道和空气流动路径如图4所示。为了提高散热筋间的空气流速，机箱风道采用短且直的设计形式，使空气在散热筋间减少局部压力损失。为了减小风阻，机箱外表面采用喷漆处理，使风道内部光滑，以减少摩擦损失。为了保证热空气能够顺利排出，风道与风机之间有隔板防止热空气回流，并且出风口面积大于风扇的进风口面积。另外，为了保证设备电磁的兼容性和稳定性，在通风孔处应安装金属防尘网。

2 热设计仿真

以上热设计方法是通过半解析、半经验的公式选定散热方式、压差和流量等，不能比较准确地计算出设备中任意单个元器件的温度，因此无法进行优化散热设计。所以，设计人员想在新产品量产前发现可能存在的散热问题并据此优化方案，需要通过仿真软件来实现。这里采用Icepak进行仿真计算，只要建模正确，仿真结果与实际测量的误差在10%以内[5]，能较好地满足热设计需要。下面主要阐述利用Icepak进行仿真的方法。

2.1 仿真过程

2.1.1 划分网格

该设备模型划分网格如图5所示，网格质量如图6所示，其中面网格大于0.02，体网格大于0.05。

2.1.2 温度分布

该设备某截面温度场分布图如图7所示，风道流动轨迹如图8所示。

2.2 仿真结果

各模块的最高温度如表1所示。各风扇工作点的体积流量仿真结果如表2所示。如图9所示，通过对仿真结果分析可知：设备的总风量为0.006 036 m3·s-1， 大于0.004 478 m3·s-1，满足强迫风冷的散热风量需求，且每个风扇工作点都在风扇特性曲线的右下部，此时风扇有着较高的工作效率，即风扇选择合理；各模块的最高工作温度都在限定范围内，满足使用要求，说明机箱风道结构设计合理。

表1 各模块的最高温度结果

表2 各风扇工作点的体积流量仿真结果

2.3 工程验证

利用此结构进行加工，在整机调试完成后，按照环境试验要求进行高低温工作试验。在高温工作试验阶段，当环境温度达到71 ℃时，设备工作正常，通过预先放置的温度传感器探测到功放模块温度为89.7 ℃，CPU温度为83.6 ℃，电源模块温度为88.1 ℃，所有模块都低于可靠工作的最高温度指标要求。设备交付给客户后，多次上机测试表明，设备的实际散热表现与热仿真结果一致，满足使用要求。

3 结语

密闭通信设备的热设计比较复杂，通过以上设计方法，如果仿真设计时有一个环节设计不合理，能够通过仿真结果优化这一环节的设计，从而通过不断优化设计、计算和仿真得到合理的热设计。通过此方法设计的密闭通信设备工作性能稳定，散热效果好，大大提高了设备的可靠性。实践证明，此热设计方法是一种可靠的热设计方法。