某模块化综合电子设备的热设计和抗振设计

2014-07-01黄贤浪

机械工程师 2014年4期

关键词：热耗电子设备机架

黄贤浪

（西南电子技术研究所，成都610036）

某模块化综合电子设备的热设计和抗振设计

黄贤浪

（西南电子技术研究所，成都610036）

介绍了一种模块化综合电子设备的结构设计，该设计将多个分离的独立电子设备以模块化的形式组合起来，但由此会带来设备的热流密度增大、体积增加问题，散热和抗振成为设计中的难点。设备采用多种风机组合的方式同时结合热仿真实现了整机的散热设计；依据实际振动环境，采用局部隔振和整机力学仿真实现了整机的抗振设计。

电子设备；抗振设计；热设计

0 引言

目前航空电子系统体系结构已经从分离的独立电子设备发展到模块化综合航电系统，模块化综合航电系统的特点是开放性好、全寿命成本低、具有良好的可靠性和兼容性［1］。由模块综合化带来的是电子设备热流密度的大幅提升，设备冷却已经成为模块综合化必然要面对的难题；由于将原来多个设备的功能集中，设备的尺寸因此成倍增长，设备的抗振能力设计也面临严峻挑战。

1 设备结构设计

某机载电子设备集成了多个独立设备的功能，要求具备现场维护功能，根据总体方案，采用模块化综合结构形式。装机平台要求较小的安装空间尺寸，重量要尽可能轻，能自行解决热耗，并且能耐受严苛的振动条件。

依据前期划分，整个设备分为两大部分——机架和一系列现场可更换模块。机架主要为各个模块提供机械安装、电路板保护和电气互联区域功能。为实现所有的模块可现场替换，将所有的内部电气互联集中于机架背部，包含模块与机架之间的互联和模块与模块之间的互联，同时将设备的对外信号在电气互联区域产生。依据安装平台要求的空间尺寸，大致规划出机架的结构形式。机架包含：与主机的安装接口和电气接口，与模块的机械电气接口，散热部分。

作为电气功能的物理载体，模块的封装成为热、振动和电磁等多个学科高度融合、关联设计的成果［2］。依据电路功能的划分，该设备共包含15个模块，各个模块具有相同的界面尺寸和类似的机械电气接口，根据内部电路板的差异而更改模块的厚度。模块前面具有统一的起拔功能，并且附有模块的标识功能，中间采用可靠性高的锁紧条锁紧，背部为电气接口，电气接口包含低频信号和射频信号。

图1 设备外形示意图

2 设备热设计

电子设备的热设计包括选择合适的冷却方式，布置冷却剂流型、方向以及排列封装内的电子部件等［3］。该设备的机载平台要求设备自行解决散热问题。依据模块热耗的情况，通过估算，自然散热不能满足该设备的散热需求，考虑采用强迫风冷的方式冷却，设备自带风机提供风源。从图示来看设备的热耗中，下排模块的热耗大致为23、10、13、13、13、35、35、40、25、25、20、35、35 W，上面2个模块均为40 W。

要进行风机选型，首先需要确定风冷散热所需带走的热量及所需的风量。自然对流散热量计算：主机自然对流散热的表面积 S=0.8 m2；取自然散热系数 α=6 W/（m2·℃）；设表面平均温升T=12℃；则自然对流散热功率Q1=α·S·T＝57 W。

辐射换热计算：物体辐射换热面积S=0.8 m2；辐射传热表面传热系数ατ＝5.67Fε［（（t1+273）/100）4-（（t2+273）/ 100）4］/（t1-t2）＝3.3 W/（m2·℃）。

设表面平均温升T=12℃，辐射传热功率为：

Q2=ατST＝3.3×0.8×12＝31.7 W。

强迫对流换热量计算，需要强迫风冷带走的热耗：

Q3＝389-57-31.7＝300.3 W。

机架集中散热模块所需风量：根据换热计算公式Q= CPMΔt；取定性温度（70℃）下CP=1009J/（kg·℃），ρ＝1 kg/m3，Δt为 12℃；则需要带走的热耗为 220.3=1 009×12× M；所需冷却空气的质量流量M=0.018 2 kg/s=65.5 kg/h，体积流量V＝M/ρ=65.5 m3/h。

上面2个模块需要带走的热耗为80=1 009×12×M；根据换热计算公式Q=CPMΔt；取定性温度（70℃）下：CP= 1 009 J/（kg·℃），ρ＝1 kg/m3，Δt为12℃；所需冷却空气的质量流量M=0.006 7 kg/s=24.1 kg/h，体积流量V＝M/ρ= 24.1 m3/h。

依据计算结果，设备采用两种不同的风机，并依据设备的尺寸情况和热耗情况放置风机位置。顶部风机选用最大风量为24 m3/h，尺寸为40 mm×40 mm大小的风机。机架底部选用最大风量分别为170m3/h，尺寸为119mm×119mm的风机。

由于设备尺寸限制和模块热耗情况，此两个模块将采用独立的风机组件供风，其余的模块公用一个风机组件。考虑到热流方向与重力方向相反，大的风机组件位于设备底部，从下往上吹风，其特点是风压大，风量比较集中［4］。设备底部周围开有进风口，机架上部需要做出风口，同时模块与模块之间留出间隙（间隙大小视模块发热量和设备尺寸初步确定），由相邻的两个模块面形成风道，下部模块的热量均需要导至模块的两个大面上，热量由通过的冷风带走；顶部两个模块的热量要求通过模块上端面散出，并且要求模块顶部做出风道和散热齿，风道要求前后贯通。接插件设计在模块背部的下端，以留出空间在模块背部的上端设计一个小的风机组件，将从前往后抽风。

底部风机组件依据模块的散热情况，调整风机位置，将风尽量送往发热量大的风道，顶部风机则主要对准模块散热量大的位置，并要求在模块的该位置形成较通透的风道。上面两个模块不要过多地遮挡散热量大的底部模块，并且将该模块往上抬起一定的高度，对于其正下方的模块也能有一定的风道，模块的安装组件也设计成镂空形，减小风阻。风机位置如图2所示。

图2 风机位置示意图

在初步的结构设计后，将初步排布完成后的设备导入热分析软件进行仿真分析。主要的边界条件：环境温度70℃，机架材料为防锈铝，模块热量均布于模块中心，风机采用选定风机参数。最后分析结果如图3所示。

图3 热仿真云图

通过多次仿真优化，不断调整各个模块间的间隙，得到最优解。从图示可以看出，设备最高温度集中在上面2个模块，模块表面最高温度为82～84℃之间，满足设计需求。

3 设备抗振设计

由于设备需要尽量地轻，依据以往的经验，设备使用的环境振动量级可以不采用隔振器，从而减小设备的体积和重量。通过与主机的协调，设备采用6个螺钉与主机连接。为尽量地减轻重量，机架所有零件都考虑减重。初步的减重主要是将机架设计成“镂空”的形式，所有的零件除去必要的机械接口、电气接口，保证零件整体强度的前提下，去除多余材料。在如此的减重设计下，需要重点考虑设备的抗振动设计。

图4 仿真有限元模型和模态仿真云图（一阶）

减小设备体积，尤其是高度方向的尺寸，这也是顶部风机放在后面而不放在上面两个模块顶部的原因之一；在满足进气量的同时，尽量压缩底部风机进气高度需要的尺寸；风机对振动比较敏感，需要单独对风机进行抗振设计，在风机组件与底板的连接处安装轻型隔振器；满足散热的同时将上面两个模块放置在机架一阶振型大概位置，通过上端两个模块来增强设备的刚度；在重要零件的连接处增加紧固销钉；所有模块均通过锁紧条的扩张实现与机架的紧密结合，保证模块的牢固安装，提高机架的整体刚度；通过控制系统的固有频率，避免外激励作用下的共振［5］。

将初步设计的模型导至结构仿真分析软件中进行分析，设备采用铝材作为主要材料，采用6个安装孔固定，对机架进行模态分析。得出一阶模态为159 Hz、二阶模态为182 Hz、三阶模态为187 Hz、四阶模态为342 Hz、五阶模态为457 Hz。通过与输入的条件比较，避免了在量级比较大的输入振动频率引起共振。

从仿真分析可以看出，机架一阶模态变形主要集中在一些不是很重要的位置，这些位置不包含电子设备的关键电路板。针对类似机架，其模态处于比较高的频率，从理论仿真来说，该设计满足振动需求。