田 野，劉劍超，朱學(xué)凱

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所， 江蘇揚州 225001）

0 引言

雷達(dá)模擬器是一種對目標(biāo)的電磁反射特性進(jìn)行模擬的設(shè)備，一般包括模擬器天線、天線支架、模擬器信號生成機(jī)箱組成，由于其使用環(huán)境的特殊性，一般位于野外操作，對包含的設(shè)備有一定使用要求，如質(zhì)量輕、體積小、方便攜帶、外形美觀、防雨、防塵。在此環(huán)境要求下的模擬器機(jī)箱要求體積小、質(zhì)輕、單人可攜帶，同時又要滿足防水、防塵條件下的熱設(shè)計指標(biāo)，給結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計帶來一定的難度。因為防水、防塵的需要，機(jī)箱必須做密閉處理，而密閉與散熱又是一對矛盾體，在設(shè)計時需要同時考慮內(nèi)部和外部相結(jié)合的兩種熱設(shè)計方案，使機(jī)箱內(nèi)部微波器件的熱量能夠高效的傳導(dǎo)至機(jī)箱外部，從而保證機(jī)箱內(nèi)部器件正常工作[1]。

任恒等[2]提出了一種強(qiáng)制風(fēng)冷密閉插箱，解決總熱耗約為500 W，印制板卡插箱散熱問題，其在箱體內(nèi)部布置風(fēng)道，插件外表面加裝散熱器，但其并非真正意義的密閉，只是防塵密閉，不能用于戶外淋雨環(huán)境。

陳登瑞等[3]提出一種總熱量為120 W的密閉機(jī)箱，其在箱體兩側(cè)壁設(shè)計夾層板中間布置翅片形成風(fēng)道，機(jī)箱尾部布置風(fēng)機(jī)，發(fā)熱器件也為印制板卡，通過連接的結(jié)構(gòu)件將熱量傳導(dǎo)至側(cè)壁散熱翅片，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷將熱量帶走，文中解決了機(jī)箱密閉的問題，但是熱量幾乎平均分配在各個印制板上，熱流密度相對較小，溫升30 ℃達(dá)到熱平衡。整個機(jī)箱整體釬焊成型，剛度較好，但是重量較重，不符合輕便設(shè)計的理念。

本文設(shè)計了一種密閉形式的模擬器機(jī)箱，初步確定一種自然散熱、均溫板散熱、外部強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的組合散熱方案。在保證質(zhì)量輕、體積小、方便攜帶、外形美觀、防雨、防塵的同時實現(xiàn)設(shè)備的散熱設(shè)計要求。

1 整機(jī)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)設(shè)備總體研制要求，結(jié)合機(jī)箱內(nèi)部器件尺寸和安裝空間，確定機(jī)箱的基本外形尺寸為380 mm×160 mm×280 mm，模擬器機(jī)箱由箱體，前、后蓋板，均溫散熱板，散熱風(fēng)機(jī)，把手等組成，箱體內(nèi)部包含6 個微波模塊、1 個電源、1 塊印制板、若干連接器和開關(guān)。機(jī)箱總重質(zhì)量約為6.5 kg，整機(jī)總質(zhì)量約為12 kg。

機(jī)箱箱體采用鋁合金材料加工而成，陳登瑞等[3]提出機(jī)箱采用整體釬焊成型，釬焊成型適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易機(jī)加工成型的部件，本文中箱體上下直通，適用于直接機(jī)加工成型，雖然犧牲了部分工時和物料，但省去了釬焊復(fù)雜的工序流程，避免加工后的變形，可以保證后續(xù)的密封設(shè)計。6 個微波模塊安裝在箱體的側(cè)壁和后蓋板上，1個電源和若干連接器安裝在前面板，印制板散熱板安裝在機(jī)箱左邊，風(fēng)機(jī)支架、風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)蓋板依次與之安裝。機(jī)箱的結(jié)構(gòu)布局形式如圖1～2所示。

圖1 機(jī)箱整體結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)箱內(nèi)部布局

1.2 密封設(shè)計

密閉加固機(jī)箱由于具有良好的抗震動沖擊性能、三防性能和電磁兼容性能而通常應(yīng)用在機(jī)載、星載和野外等嚴(yán)酷的環(huán)境條件下[4]。本文所設(shè)計的機(jī)箱使用環(huán)境為露天野外環(huán)境，按照設(shè)計要求需要具備防雨、防塵、防沙的密閉要求，因此機(jī)箱前、后蓋板，印制板散熱板與機(jī)箱之間采用密封繩密封，器件的各個安裝孔設(shè)計為盲孔，風(fēng)機(jī)選用防水式風(fēng)機(jī)，接插件選用防水接插件，并在安裝法蘭處加裝橡膠密封墊。

因為密封的要求，本文打破了傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)給內(nèi)部機(jī)箱循環(huán)送風(fēng)的制冷形式，機(jī)箱的框架和前后蓋板、印制板散熱板已經(jīng)形成一個密閉的腔體，風(fēng)機(jī)只是單獨給發(fā)熱量最大的印制板翅片散熱。

1.3 冷卻方式選擇

因為箱體密閉性要求，初步考慮選擇自然散熱冷卻方式。如表1所示，整個機(jī)箱的熱耗合計121.4 W，其中微波器件和電源的熱量分布在器件底部，印制板熱量分布在各個芯片表面，穩(wěn)態(tài)下機(jī)箱表面的熱流密度按照公式φ=Q/A計算得到[5]，其中：Q為機(jī)箱內(nèi)部總的發(fā)熱量；A為機(jī)箱散熱表面積；機(jī)箱使用環(huán)境的極限溫度為50 ℃；內(nèi)部器件耐溫取值85 ℃。在40 ℃的溫升條件下計算φ=Q/A=121.4 W/8812 cm2=0.014 W/cm2，由圖3 可知，該熱流密度處在自然對流散熱閾值范圍內(nèi)，但是經(jīng)過初步的仿真計算得到印制板芯片表面溫度超過85 ℃，說明該種散熱方式不能滿足機(jī)箱的使用條件。分析原因，印制板表面熱量較為集中，計算時將其中熱量均分給整個機(jī)箱散熱，降低了整機(jī)的熱流密度，而實際傳導(dǎo)過程中，印制板散熱器不可能將熱量迅速傳導(dǎo)給整個機(jī)箱，故需將印制板散熱與其他器件散熱單獨計算。

表1 機(jī)箱內(nèi)部發(fā)熱器件及熱耗

箱體上內(nèi)部微波器件和電源穩(wěn)態(tài)下熱流密度：

印制板散熱板熱流密度:

其中，A1為箱體外部除去印制板散熱板的散熱總面積，A2為印制板散熱板的散熱總面積。機(jī)箱內(nèi)部微波器件和電源的總熱耗Q1=55 W，印制板的總熱耗為Q2=66.4 W。

印制板上的熱耗分布在各個芯片上，圖3 所示為印制板散熱器上散熱凸臺加載的熱耗值。圖4所示為設(shè)備允許溫升和熱流密度確定冷卻方式的選擇圖[6]，從計算結(jié)果和圖3可知熱流密度為φ1的散熱方式小于自然散熱的閾值；在極限35 ℃溫升條件下，熱流密度為φ2散熱方式介于自然冷卻和強(qiáng)迫空氣冷卻之間，因此在印制板散熱器冷卻方式選擇為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，設(shè)計時在散熱翅片外面加裝散熱風(fēng)機(jī)形成空氣的強(qiáng)制對流換熱。另外還將印制板散熱器內(nèi)部設(shè)計成均溫板結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步提高熱傳導(dǎo)效率。

圖3 印制板散熱板熱量分布

圖4 常見冷卻方式的熱流密度與溫升

綜上，該機(jī)箱的冷卻方式確定為一種自然散熱、均溫板導(dǎo)熱、外部強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的組合散熱方案，然后通過仿真計算驗證該方案是否可行。

1.4 散熱齒設(shè)計

機(jī)箱內(nèi)部器件都布置在內(nèi)表面貼壁安裝，整個機(jī)箱外表面都可作為散熱齒布置區(qū)域，由于機(jī)箱壁厚限制，取散熱齒高度為7 mm，寬度為2 mm，間距為5 mm。印制板散熱板采用內(nèi)嵌式設(shè)計，外部再加裝風(fēng)機(jī)，盡量減少側(cè)邊突出距離，增加機(jī)箱整體的設(shè)計美感。裝配完整后，風(fēng)機(jī)采用抽風(fēng)式工作，風(fēng)由印制板散熱板外側(cè)的四周流經(jīng)散熱板外表面，達(dá)到冷卻的效果。如圖5所示。

圖5 散熱齒設(shè)計

1.5 風(fēng)機(jī)選型

一般來講，風(fēng)機(jī)能提供的最大風(fēng)量越大，對流就越強(qiáng)，散熱效果就越好，但同時結(jié)構(gòu)尺寸就越大，產(chǎn)生的噪聲也越大。根據(jù)設(shè)備環(huán)境使用要求，取環(huán)境試驗中最高使用溫度50 ℃，進(jìn)出風(fēng)口5 ℃的溫差。60 ℃時空氣特征參數(shù)：空氣密度ρ=1.06 kg/m3；空氣動力黏度ν=18.97×10-6m2/s；空氣比熱容Cp=1005 J/（kg·℃）。

根據(jù)熱力學(xué)平衡方程，計算得到總風(fēng)量：

式中：Q為印制板的發(fā)熱量；Δt為進(jìn)出風(fēng)口溫差。

綜合考慮結(jié)構(gòu)安裝尺寸，電源輸入功率等因素，選擇型號為型號為San Ace 9WP0812H401 風(fēng)機(jī)，其輸入電壓為12 V直流，輸入功率為1.56 W，額定轉(zhuǎn)速2900 r/min，最大風(fēng)量為1.03 m3/min即61.8 m3/h，最大風(fēng)壓為35.3 Pa，其風(fēng)量-風(fēng)壓關(guān)系曲線如圖6所示，采用抽風(fēng)形式。該風(fēng)機(jī)為防水型風(fēng)機(jī)能夠滿足露天淋雨的使用條件，如圖7所示。

圖6 風(fēng)機(jī)風(fēng)量-風(fēng)壓關(guān)系

圖7 仿真風(fēng)機(jī)

2 熱仿真分析

2.1 模型簡化

熱仿真分析與計算采用FloEFD（NX10.0）進(jìn)行計算分析。在不影響仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，對機(jī)箱模型進(jìn)行簡化[7]。簡化原則如下：

（1）由于機(jī)箱密閉，忽略內(nèi)部對流換熱和輻射換熱；

（2）忽略內(nèi)部散熱量較小微波器件的特殊外形，簡化為立方體，忽略安裝螺釘?shù)染o固件，并將整體的熱耗均勻分布在接觸面；

（3）忽略內(nèi)部幾何形狀較小且?guī)缀鯚o熱耗的濾波器和開關(guān)等；

（4）忽略前面板上布置的接插件、指示燈、開關(guān)等對熱分析無影響的器件；

（5）將風(fēng)機(jī)按照選型的風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和風(fēng)壓值簡化處理。

2.2 邊界條件設(shè)定

外部環(huán)境極限溫度：50 ℃。

器件上限溫度：印制板芯片表面85 ℃，微波器件表面105℃。

界面填充介質(zhì)：印制板芯片與印制板散熱器之間導(dǎo)熱襯墊厚度取0.1 mm，導(dǎo)熱系數(shù)10 W/（m·K）；其他微波器件與箱體之間涂覆導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱系數(shù)取5 W/（m·K）。

材料：箱體整體均為5A05 型鋁合金，密度為2700 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為209 W/（m·K），比熱容為896 J/kg·℃，印制板散熱板導(dǎo)熱系數(shù)為1000 W/（m·K）。

空氣比熱容為1005896 J/（kg·℃），空氣密度為1.06 kg/m3。

2.3 網(wǎng)格劃分

高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分對CAE 工程師來說，是一項繁重費時的工作。實踐證明，自動剖分的網(wǎng)格只要足夠細(xì)密，也可以達(dá)到較高的分析精度，但采用過細(xì)的網(wǎng)格劃分針對整機(jī)進(jìn)行分析時將面臨計算機(jī)硬件資源上的障礙。所以在整機(jī)集成分析階段最好采用高質(zhì)量的六面體單元或規(guī)則的板殼單元進(jìn)行手動與自動相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法。應(yīng)用FloEFD軟件自帶的網(wǎng)格劃分功能，印制板散熱器和印制板芯片區(qū)域由于熱量比較集中，特征較多，散熱齒排列較密，采用局部網(wǎng)格細(xì)化。

設(shè)置軟件的初始網(wǎng)格級別為3級，最小縫隙尺寸為1 mm，均勻分布網(wǎng)格，計算得到總網(wǎng)格數(shù)為327413，流體網(wǎng)格數(shù)為1364917，固體網(wǎng)格數(shù)為1909296，熱接觸流體網(wǎng)格數(shù)為1080860，網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 機(jī)箱網(wǎng)格

2.4 結(jié)果分析

如圖9所示，機(jī)箱表面的最高溫度為81.72 ℃，低于許用溫度105 ℃；如圖10 所示，印制板上芯片表面的最高溫度為76.25 ℃，低于許用溫度85 ℃，印制板散熱板均溫性約為7 ℃。

圖9 機(jī)箱溫度云圖

圖10 印制板散熱板表面溫度云圖

3 結(jié)束語

本文以某型雷達(dá)模擬器實際設(shè)計需求為依托，對模擬器機(jī)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計，在保證機(jī)箱密閉性的同時，實現(xiàn)了內(nèi)部器件的散熱需求，尤其是較大熱耗的印制板芯片正常工作。通過熱仿真軟件仿真分析對結(jié)構(gòu)的散熱性能進(jìn)行分析驗證，可以驗證設(shè)計正確。產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，又對機(jī)箱進(jìn)行了GJB 150A中相關(guān)的高低溫試驗、淋雨試驗、振動試驗及沖擊試驗[8]，該機(jī)箱均通過上述試驗，說明產(chǎn)品性能符合設(shè)計要求。本次設(shè)計過程可以為后續(xù)同類型模擬器機(jī)箱的設(shè)計提供參考和借鑒。