开放式机载电子设备结构设计

张丰华，栾前进，任 康

(1.中航工业西安航空计算技术研究所 第4 研究室，陕西 西安 710119;2.陆航驻西安地区军代室，陕西 西安 710119)

风机冷却是机载电子设备在无环控冷却时常用的一种冷却方法，其利用风机驱动冷却空气流经电子设备将热量带走，其冷却能力约是自然散热冷却的10 倍［1］。

目前风机冷却的机载电子设备主要采用隔离密封的结构形式，即风道与内部电子模块完全隔离，模块将热量传导至机箱侧壁，冷却风通过机箱侧壁，通过侧壁换热器将热量带走。隔离密封方式的优点是电子模块实现密封，但散热路径长，热阻大［2］。开放式风冷散热结构，风机驱动冷却风直接吹过模块表面散热器换热，有效缩短了散热路径，并大幅提高散热能力。但机箱开放，带来了电磁屏蔽、三防、灰尘等多方面问题，难以直接应用于机载环境。只有解决上述问题，才能将开放式风冷散热结构应用于机载环境［3］。

图1 隔离散热结构

1 两种散热方式说明

隔离密封散热方式的典型结构及散热路径如图1所示，开放式风冷散热机箱的典型结构及散热路径如图2 所示。从图中可看出，隔离散热结构为间接传导散热，而开放式为直接对流换热。

图2 开放式散热典型结构

测量表明:楔形锁紧结构，机箱插槽至模块散热板边缘温升一般约14 ～16 ℃，由散热板中央至插槽处散热也存在传导热阻，一般温升8 ～10 ℃。仿真证明:同样的风量和模块结构，采用开放式散热相比隔离密封热结构，器件表面温度下降10 ℃［4］。

开放式散热结构可忽略机箱插槽处传导热阻，增强了模块散热板中央至边缘的热传导效果，总体散热改善效果良好，采用开过式散热结构散热优势明显。

2 技术难点

开放式结构应用机载产品的技术难点主要是电磁屏蔽、防尘设计、三防设计。如何在实现电磁屏蔽的同时又尽量不减少风量是第一个难点。开放式散热方式散热效率高是因冷却风直接吹过器件表面，需提供较大的风量。增加风量，需增加通风孔面积，但提高电磁屏蔽效能，又需减小通风孔面积，两者相互矛盾，所以在方案设计之处须进行热及电磁仿真计算，才能取得最优效果。

如何实现过滤灰尘的同时又尽量不降级风阻是第二个难点。风道直接与外界贯通，气流经模块表面，灰尘在伴随冷却气流进入设备。如何设计滤尘装置，保证隔离灰尘的同时且风阻降低在可接受范围内，同时滤尘装置要便于维护。

满足机载环境三防要求是第3 个难点。开放式结构霉菌、水汽等均会直接进入设备，必须通过提高设备三防性能和设计相应结构，将问题逐项解决。此外，风道的设计也是难点，因风机驱动力量有限，合理的模块排布、冷却风的流量分配、风道的风阻设计等均是必须考虑的问题。风道设计中应注意，层流与紊流的差异会导致换热系数的变化，其效果甚至大于模块散热板尺寸的作用［5］。

随着仿真技术发展，仿真软件内部一般都有典型风机的供风特性，可直接调用，一般通过多轮热仿真优化，可解决风道设计的问题。

3 成功样例

某机载电子设备外形尺寸260 mm×210 mm×420 mm，包含12 个功能模块，总功耗355 W，工作环境温度70 ℃，自带风机散热。由于热设计条件恶劣，对选择方案有决定性影响，所以首先考虑热设计方案。经仿真，采用开放式风机冷却结构。机箱左侧装配2台风机，并采用抽风方式，模块冷板采用传导贴覆式冷板［6］，具体结构如图3 所示。热设计内容主要包括不同功耗模块的前后顺序排列、风机的选型、风道的设计等方面问题，主要通过仿真手段来保证。最终将主要功能模块温度控制在85 ℃以下，热设计满足要求，如图4 所示［7］。

图3 热设计结构方案

图4 功能模块热仿真云图

采用开放式热设计方案，散热效果得到明显改善，满足使用要求，但带来的电磁密封、防尘及三防方面问题，需逐一解决。

3.1 电磁密封

开放式结构中通风孔、缝泄露抑制最为关键，根据孔耦合理论，决定孔、缝泄露量的因素为孔、缝最大线性尺寸。

通风孔的设计关键在于通风部件选择与装配结构的设计。在满足通风性能条件下，应尽可能选用屏蔽效能较高的屏蔽通风部件。设计经验表明:孔最大线度尺寸即直径应≤波长/20，缝最大线度尺寸应≤波长/100，且＜波长/20，一般可取得较好的电磁密封效果［8］。

通风散热孔的处理有多种方法，通常做法是机箱盖板加工孔阵列、覆盖金属丝网、安装蜂窝状波导板等。在军用电磁兼容标准GJB151 中，RE102 试验测量值极限有严格要求，阵列打孔金属板和覆盖金属丝网屏蔽效果一般，难以达到屏蔽要求。蜂窝状波导板屏蔽效果好但厚度较厚且占用体积较大，故应用受到了较大限制。

本案例中设备主要晶振频率及其倍频范围为30 ～200 MHz，对应波长为10 ～1.5 m，将最小孔径确定为3 mm，最大间隙尺寸设计标准值为75 mm。

采用安装风压损失较小的新型金属发泡网来处理通风散热孔，金属发泡网因材质柔软不能直接裸露，在发泡网外表面增加阵列打孔金属板用于保护金属发泡网，缝隙内填充柔性导电密封材料，提高了电磁密封性能。最终产品RE102 试验，扫描结果如图5 所示，产品满足要求。

图5 RE102 试验结果图

3.2 防尘设计

按照我国科学分类方法，粉尘组成分级标准为8 级，防尘部件的选择应注意:首先明确设备使用环境的粉尘等级，然后确定防尘网孔径规格;其次考虑风阻特性。防尘网的风阻特性与设备风机所提供的风阻、风量有直接关系，使用中不可避免有粉尘滞留防尘网表面，造成风阻增大，所以风阻特性的选择应留有一定余量，确保使用中风阻特性始终满足性能要求，也可延长防尘网清理周期［9］。

本案例中防尘部件选择新型铝制发泡金属网，发泡金属网是一种经特殊工艺制成带有大量层叠微孔的镍铁等金属支撑既能屏蔽辐射干扰又能通风的材料。金属发泡网的选择主要考虑风阻特性、防尘等级和屏蔽效能3 个因素。金属发泡网的主要参数是孔隙率和厚度，一般孔隙率越大，厚度和风阻越小，但屏蔽效能及防尘能力则越差。防尘网在风道中的位置应靠近入风口处，考虑到维护清理问题，一般应设计为独立部件。根据产品特点，最终选择400 目金属发泡网作为防尘部件。经试验，防尘性能满足产品使用要求。

3.3 三防设计

提高开放结构的三防性能从3 个方面开展:选材、表面涂覆和局部结构密封。要选择三防性能好的材料作为零部件基材，并对零部件进行表面处理。标准件尽量选择不锈钢材质，且模块表面涂覆高性能三防涂层［10］。

局部结构密封是指将产品的通风区与接线区等区域隔离开。模块尽可能采用密封结构，母板与模块之间垫金属隔离板，结构件之间填充柔性密封材料。通风风道和整个设备底部开泄水槽，以防止湿热空气冷凝聚集成为液体，而发生短路危险。

本案例中选择金属材料选择耐腐蚀性能较好的防锈铝合金作为金属基材。非金属表面除常规表面处理外还增加了真空涂覆，确保模块三防性能优良。机箱底部设计泄水槽，确保冷凝水可正常排出。通过采取上述措施，产品成功通过环境考核试验，并顺利交付。

4 结束语

随着电子产品对性能需求的不断提升，对产品热设计也提出了更高要求，如何充分挖掘常规散热方式的潜力，在机载电子设备热设计中占有重要意义。本文通过解决商用开放式散热结构的技术难点，将其成功应用于机载环境，并成功解决了项目散热难题，为日后解决类似问题提供了参考。热设计方案的选择与环境条件密切相关，每种散热方式均有其优缺点，使用中应特别注意。尤其是海洋环境湿热，对盐雾要求更加严格，因此使用开放式散热结构仍有一定的风险，应尽量避免使用。

［1］ 郭欣茹，张亚峰.电子设备机箱的强风冷设计［J］.无线电通信技术，2004(2):49－50.

［2］ 景莘慧.某功放模块的强迫风冷散热设计［J］.电子机械工程，2005，21(5):19－21.

［3］ DAVE S STEINBERG.电子设备冷却技术［M］.李明锁，丁其伯，译.2 版.北京:航空工业出版社，2012.

［4］ 丁成斌，王克成，张文革，等.基于Flothrem 的一种电源设备热仿真分析［J］.机电元件，2011，31(4):28－31.

［5］ 张忠海.电子设备中高功率器件的强迫风冷散热设计［J］.电子机械工程，2005，21(3):18－21.

［6］ 张丰华，杨林.一种机载电子设备的散热设计方法［C］.西安:中国计算机学会第十三届计算机工程与工艺学术年会，2007.

［7］ 郝云刚，刘玲.电子设备的热设计［J］.兵工自动化，2010(2):49－50，54.

［8］ 张疏.计算机加固技术综述［J］.电子工程师，2006，32(12):47－50.

［9］ 余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术［M］.2 版.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［10］冯刚英.舰船电子设备结构的“三防”设计［J］.电视技术，2002(3):66－69.