抗恶劣环境换热装置的研究与设计*

王 凯 王连坡

(1.北京世纪瑞尔技术股份有限公司 北京 100000)(2.中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

抗恶劣环境换热装置的研究与设计*

王 凯1王连坡2

(1.北京世纪瑞尔技术股份有限公司 北京 100000)(2.中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

介绍了电子设备热设计的基本要求、目的、传热的基本原则及热量传递的基本方式。详细介绍了抗恶劣环境换热装置的工作原理、设计方案,并与强迫风冷散热方式进行对比,得出抗恶劣环境换热装置的优越性。

传热学; 热控制; 换热装置; 强迫风冷

Class Number TK33

1 引言

随着电子技术的迅速发展,电子技术在各个领域得到了广泛的应用。为了保证元器件和设备的热可靠性以及对温度压力变化的恶劣环境条件的适应能力,电子元器件和设备的热控制技术得到了普遍的重视和发展。研究表明,芯片级的热流密度高达100W/cm2[1],如此高的热流密度,若不采取合理的热控制技术,必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性,从而导致元器件或设备的热失效。大量统计数据显示,元器件的失效率随温度的增加呈指数增长趋势。环境温度每增长10℃,电子设备的失效率增大一倍以上[2],如果缺乏良好的热设计和冷却措施,使环境温度超过了元器件的额定工作温度范围,就会造成元器件工作状态不稳定或者失效。传统的机箱、机柜,为了保持稳定的工作温度,大部分都是仅在机箱、机柜中装设普通的风机和散热器。但这种散热方式,无法适应一些恶劣的环境,如阻止外部环境的潮湿空气、砂尘、盐雾等侵入设备内部,也无法保证设备的电磁兼容性能,进而影响设备的正常运行,并且给维修及更换上带来了诸多不便。

热控制的基本任务就是保证热量能够迅速地传递到周围环境中,即在热源至热沉之间提供一条低热阻的通道。针对舰载及户外应用的通讯、电力等设备工作的恶劣环境,由于空气腐蚀的存在,散热装置不能将环境中的空气与设备进行直接对流散热,本文主要研究并设计一种密闭型的散热装置,既可实现对设备散热,又保证了设备不直接和空气进行对流散热。

2 热控制的基本要求

2.1 热控制应满足设备可靠性的要求

一般电子设备内部存在着大量的发热元器件,使得设备内部环境温度升高。高温对大多数电子元器件将产生严重的影响,它会导致元器件的失效,进而引起整个设备的失效。通过热控制的设计,采取使发热元器件散热冷却的措施来降低设备的温升,从而保证设备的可靠性。因此在结构设计时应注意考虑以下原则:

1) 热控制方案要满足元器件降额应用对设备内部温度的要求。因此,一般电子设备的机内温度应设法控制在45℃～65℃范围以内,对功率密度大一些的设备也不应超过50℃～70℃范围;

2) 整机的散热冷却方案应与设备的功率密度大小相适应。一般原则是当功率密度低于12.2kW/m3时,可选择自然冷却方案;当功率密度超过12.2kW/m3时,应选择强迫空气冷却技术;当功率密度超过43kW/m3时,则应选择水冷方案[3];

3) 对发热元器件采取散热措施时,要满足其对热阻的要求。一般原则是若发热元器件对热阻的要求大于30℃/W时,可不必采取散热措施;当对热阻的要求在2℃～30℃/W时,可采取散热器散热;当对热阻的要求在0.05℃～2℃/W时,则应采取轴流风机强制风冷散热等;

4) 对设备内部的部件应合理布局:一般原则是发热量小或无源器件应放在设备的底部;发热量大、宽温的部件应放在设备的顶部,元器件与设备之间的距离最好大于35mm～40mm,以利于空气自然对流来散热。另外,对一些热敏感器件应该尽量避开热源,必要时可增加热屏蔽罩。

2.2 热控制应满足设备预期工作的热环境的要求

电子设备的热环境包括:

1) 环境温度和压力(或高度)的极限值;

2) 环境温度和压力(或高度)的变化率;

3) 太阳或周围物体的辐射热;

4) 可利用的热沉(包括:种类、温度、压力和湿度);

5) 冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降(对由其他系统或设备提供冷却剂进行冷却的设备而言)。

2.3 热控制应满足对冷却系统的限制要求

对冷却系统的限制主要包括对使用的电源(交流、直流及功率容量)的限制、对振动和噪声的限制、对冷却剂进出口温度的限制及结构(安装条件、密封、体积和重量等)的限制。

3 热控制的理论基础

热量从高温区传递到低温区通常有以下三种形式:热传导、对流和辐射[4]。

3.1 热传导

气体导热是分子不规则运动的结果,固体导热靠自由电子的运动完成,对于液体主要是由于弹性波的作用。热传导遵循傅立叶定律,其计算公式[5]为

3.2 对流

对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流换热可用牛顿冷却公式计算:

φ=hcA(tw-tf)

式中:φ为热流量,W;hc为对流换热系数,W/(m·℃);A为对流换热面积,m2;tw为热表面温度,℃;tf为冷却流体温度,℃。

3.3 热辐射

物体以电磁波形式传递能量的过程称为热辐射。热辐射是辐射能和热能的相互转换过程,物体的辐射可用斯蒂芬-波尔兹曼定律表示:

φ=εAσ0T4

式中:φ为热流量,W;ε为物体黑度;A为辐射表面积,m2;σ0为斯蒂芬-波尔兹曼常数(5.67×10-8W/(m2·K4));T为物体表面的热力学温度,K。

4 换热装置设计方案

4.1 设计原理

在封闭的箱体内通过安装热管散热器,将箱体分为内外两个环境,箱体内外环境通过风扇将热管传递的热量排出,风扇的进出口处安装了截止波导或金属丝网防止电磁泄漏。同时,箱体与热管、箱体与盖板之间均嵌入了既能防水又能防电磁泄漏的耐腐蚀性共挤导电橡胶条。

4.2 设计方案

4.2.1 设备组成

抗恶劣环境换热装置的结构示意图如图1所示。抗恶劣环境换热装置的组成部分有:箱体1、截止波导2、风扇3、导电橡胶条4、热交换器5、盖板6、金属丝网7、风扇8等组成。其中,热交换器由安装板9、硅胶板10、热管11、散热片12、密封条13,安装螺钉14等构成。箱体1为机械铣削加工成型或铸造成型,在其底部和背部均开制有M10的螺纹孔,方便与被散热的设备进行连接,同时,在箱体1的顶部预留了导电橡胶条的安装槽,盖板6与箱体1接触面为导电氧化处理,保证两者之间连接后能够达到导电连续性的效果。

4.2.2 工作原理

图1 抗恶劣环境换热装置结构示意图

抗恶劣环境换热装置可作为独立的装置安装在设备的背部。在该装置中,热交换器将散热装置分成内外两个独立腔体,其中处于内环境中的热管一端为蒸发端,外环境一端为冷凝端。被散热设备产生的热量将设备内部的空气加热,热空气再经过内环境中风扇F2将热空气抽进散热装置的内环境中,热空气将散热装置的热管加热,通过管内壁的毛细物质浸满的工作液体(水、甲醇、氨、丙酮、氟利昂等),将热管的蒸发段加热,热量通过管壁传给液体工质,工质吸热后变成蒸汽,并在冷凝段放出汽化潜热,而这些热量再借助更大面积的散热器来传到外部环的热管端,外部环境在通过风扇W1和W3将热量散发至热沉(即大气)中,达到散热效果。

5 设计方法

抗恶劣环境换热装置通过热交换器分为两个独立的密封腔体,各腔体独立。在抗恶劣环境的散热器设计过程中,首先应明确设备的需求,然后将设备与空气直接进行隔离,使两者之间不能直接进行空气对流,最后,建立内部和外部两个对流循环,通过热管或其他的散热体将内外部之间的热量进行传递,最终,热量由外循环带至大气(热沉)中。本设计是采用上述设计方法进行,设计出的产品具有以下优势:

1) 强迫风冷散热是利用风机鼓风或抽风,以提高设备内部空气流动速度来达到散热目的的一种散热方式。强迫风冷散热虽然能够较好地实现散热效果,但由于强迫风冷散热方式是使大气中的空气与设备内的空气直接进行对流,在散热的同时会将大气中的水蒸汽、砂尘、微粒、盐雾等带入设备内部。砂尘等可能会阻挡通风风道,增加风阻,而盐雾、微粒等和水蒸气一起作用在设备内部元器件的表面,会形成约1μm～1mm厚的水膜,而这层水模会和元器件或设备壳体发生阳极或阴极化学反应,甚至在极薄的水膜下,会使电池的电阻变得非常大,影响设备的正常使用。而抗恶劣环境换热装置通过换热单元将强迫对流变换为对流加传导散热,在不影响散热效果的同时,能够避免大气中的空气与设备内的空气进行直接对流,极大地提高了设备运行的可靠性。

2) 抗恶劣环境换热装置具有良好的电磁兼容性。在该装置中,对孔洞和缝隙均做了相应的电磁兼容性设计:首先,风扇的孔洞处理,在外环境中进风口和出风口均增加了截止波导,截止波导的电磁屏蔽效果非常理想,尤其在频率高于100MHz[[6]以上;其次,在箱体的顶部、热管安装位置处、换热装置与被散热装置之间均增加了耐腐蚀共挤导电橡胶条,该橡胶条具有良好的电磁密封性和水密封作用。最后,在顶部与盖板之间、底部与被散热设备之间等接触位置处均做了导电涂层处理,保证了接触面的具有良好的电气连续性。

3) 抗恶劣环境换热装置具有良好的独立性,与被散热设备可方便的进行连接,实现了结构设计中要求的模块化、组合化等标准化要求,可大大提高结构设计的效率。

6 结语

抗恶劣环境换热装置主要针对的是一些户外或者舰载设备等,可较好实现设备的散热,使设备工作在正常的温度范围内。在对换热装置进行设计时,应根据被散热设备的实际使用环境及设备内部功率谱密度合理选择换热单元的热管和散热片,有必要时,可采取热分析软件如Icepark、Flotherm、Flotrn[5]等进行热仿真,根据分析结果优化设计方案。

[1] 王连坡.结构设计中的热控制技术[J].电子机械工程,2009(6):1-2.

[2] 江红.军用通信方舱的取暖和制热设备选择[J].指挥信息系统与技术,2011(8):2-3.

[3] 中国电子技术标准化研究所.军用电子设备热设计指南[Z],1993:86-95.

[4] 邱成悌,赵惇殳,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2005.265-397.

[5] 周旭.电子设备结构与工艺[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004:7-20.

[6] 芮平良.网络电磁空间防御作战能力需求分析[J].指挥信息系统与技术,2011(2):4-5.

Heat Transfer Device in the Severe Environment

WANG Kai1WANG Lianpo2

(1. Beijing Century Real Technology Co., Ltd, Beijing 100000) (2. The 28th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Nanjing 210007)

The article introduces the basic requirement, the purpose of thermal design, basic principle as well as the basic mode of the heat transfer device of the electronic technologic equipment. the working principleis, design of the heat transfer device are desribed in detail, Compared with the heat exchanger of forced air cooling, the supeiority of the heat transfer device is got.

heat transfer, thermal control, heat transfer device, forced air cooling

2013年7月5日,

2013年8月27日

王凯,男,助理工程师,研究方向:计算机系统设计与集成。王连坡,男,高级工程师,研究方向:电子设备结构总体设计。

TK33

10.3969/j.issn1672-9730.2014.01.046