某模块化综合机架的结构热设计与分析研究

卢健钊

(中国电子科技集团公司第十研究所,四川 成都 610036)

随着电子技术的高速发展尤其是综合化程度的日益提高，军用电子设备的功能变得越来越强大。军用电子设备的高度集成化、小型化以及单个器件功能的不断提升，致使设备的热流密度普遍增高[1-2]。一旦工作结温超过许用值，电子元器件极有可能失效。根据文献[3]、[4]可知，55%的电子设备失效故障是由于散热不良引起的。由此可见，军用电子设备的结构热设计与分析非常重要。电子设备结构热设计是在结构设计时结合热环境条件综合考虑设备的散热方式，对设备的元器件级、电路板级、整机级以及系统级采用合适的冷却技术，对设备温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常的运行[5-6]。国外开展电子设备的热设计研究始于20世纪60年代，发展了电子设备的热分析技术、热设计技术以及热测试技术。目前，我国热设计技术日趋成熟，已在航空、航天等多个领域得到了广泛应用。

本文提出了面向军用电子设备的结构热设计基本流程，并根据某任务特点和性能要求，针对某模块化综合机架开展了热设计与分析研究。在简要介绍综合机架结构构型的基础上，开展了热设计方案及其结构热设计工作，结合有限容积法，利用Flotherm软件[7]对设备开展了热仿真分析，并基于分析结果开展了样机生产，仿真分析和样机试验的结果均表明，该设备的结构热设计合理、有效。

1 结构热设计流程

军用电子设备的结构热设计需充分考虑、评估设备的尺寸、质量、热接口、环境适应性、可靠性、人机工效等多维度的工程因素，本文结合实践经验，提出了面向军用电子设备的结构热设计基本流程，如图1所示。

图1 军用电子设备结构热设计基本流程图

2 热设计方案

2.1 模块化综合机架结构构型

模块化综合机架[8]主要由1个综合机架和若干LRM(line replaceable module，现场可更换模块)组成。通常情况下，综合机架的结构构型大致可分为3个功能区域：模块承载区域、电气互联区域和对外接口区域。模块承载区域提供LRM的安装空间、机械接口以及冷却界面；电气互联区域用于安装背板，提供LRM之间、LRM与机架之间的电气互联；对外接口区域用于机架对外接口的设置和线缆集束安装。综合机架具有良好的人机工效，所有LRM模块现场可更换。

2.2 初步散热方案

军用电子设备常用的散热方式主要有自然散热、强迫风冷、液冷冷板等方法[9]。自然散热成本低，故障率低，但只适合热耗较小的设备。强迫风冷的设计方案是将发热器件或者模块固定到散热器上，热量以传导的方式传递到散热器上，冷风经过散热器时带走热量实现对流换热。液冷冷板一般是将冷却液流道设计在金属板内，通过冷却液带走器件的热量，散热效率高。

根据任务要求，某模块化综合机架的工作环境温度为30 ℃，一共包含了9类14个模块，初步预估总热耗约为875 W。结合工程经验，综合机架的模块承载区域采用单层布局，模块基本信息见表1。

表1 综合机架模块的基本信息表

本模块化综合机架局部热流密度较大，但其使用环境较为良好，依据热设计原则，初步采用设备简单、成本低廉的强迫风冷散热形式。强迫风冷主要分为穿通风冷和传导风冷两大类。为了最大程度提高热适应性设计、减少传热环节，选择穿通风冷的散热方案。考虑到机架内LRM模块数量多、热量较为分散，根据抽风、吹风冷却方式的不同特点，本综合机架采用抽风冷却方式。

整机通风系统的通风量qm，按热平衡方程进行计算：

(1)

式中：Q为需要冷却的热耗量，W；Cp为按定性温度确定的定压比热容，J/(kg·℃)；ρ为空气密度，kg/ m3；ΔT为空气进、出口温差，℃。

计算出整机通风系统的通风量约为262 m3/h，在预留一定余量的基础上选择风机。综合考虑低噪声、大风量的迫切需求，选用3组EBM 5656 S型风机可以满足使用要求。风机P-Q(静压-流量)曲线如图 2所示，风机噪声46 dB(A)。

图 2 风机P-Q(静压-流量)曲线(曲线①)

模块化综合机架是一个极其复杂的集成设备，仅依据经验公式很难得出合理的热设计方案。依据热设计工程经验确定初步散热方案后，还需进行更为详细的结构热设计工作，并开展热仿真散热分析以形成更为完善、可靠的热设计。

3 结构热设计

3.1 综合机架结构设计

模块化综合机架采用集成的方式，主要分为前部的模块承载区域、后部的电气互联及对外接口区域、顶部的风机组件区域。综合机架在结构上主要由前盖板、后盖板、上侧板、下侧板、左侧板、右侧板、背板安装架和风机组件组成，如图3所示。上侧板、下侧板和左右侧板组成模块安装架，为功能模块提供安装空间，提供起拔、锁紧和传热通路的机械、环境接口；背板安装架用于支撑互联背板的安装，提供功能模块的电气互联接口；其余盖板用于载荷单元的屏蔽和保护；风机组件采用快速拆卸方式，便于更换和维修。机架两侧设计把手，供人员搬运设备使用。

图3 某模块化综合机架爆炸分解图

3.2 LRM模块结构设计

LRM是综合机架内基本的结构封装形式，是综合机架各种电气功能实现的载体。LRM模块的结构形式如图4所示。

图4 LRM模块结构形式

3.3 热设计

机架采用强迫穿通风冷的散热形式，器件产生的绝大部分热量通过导热凸台传递至模块表面，再由风机强迫空气掠过模块表面，与其换热带走热量，达到整机热控的目的。模块之间留出1.0～3.5 mm的间距形成上下贯通的散热通道，其传热路径示意图如图5所示。机箱风道示意图如图6所示。

图5 穿通风冷传热路径示意图

图6 综合机架穿通风冷风道示意图

4 散热性能分析

为验证热设计措施的有效性，利用Flotherm软件建立分析模型，对综合机架模型进行热稳态分析，初步评估机架的热设计措施是否满足使用要求。仿真计算模型如图7所示。

图7 仿真计算模型

整机热仿真结果如图8所示，热平衡后机架内D模块壳体局部温度较高，达到65.6 ℃。

图8 整机热仿真温度云图

各风机工作点情况见表2。由表可知，各风机的工作状态较为一致，所提供的总流量完全满足整机所需262 m3/h的通风量要求。

表2 各风机工作点情况表

流场分析结果如图9所示，各风道的速度分布相当均匀，冷却风在模块间得到了合理分配。

图9 流场分析结果

仿真分析结果表明，功能模块中两个D模块的壳温较高，最高达到65.6 ℃，其余模块的壳温均不超过52.4 ℃。结合工程经验，初步评估机架的热设计措施能够满足使用要求，热设计方案基本可行。

在允许的质量、尺寸要求下，针对D模块盖板上的散热齿进行改进设计以增大其表面对流换热系数。对综合机架开展了样件生产，实物样机顺利通过了相关的环境试验，并交付用户使用，证明了热设计方案的合理性。

5 结束语

军用电子设备在其全生命周期中面临复杂多变的热环境，对其开展结构热设计和分析以保障产品的电气功能、性能和可靠性具有重要的工程意义。本文提出了面向军用电子设备的结构热设计基本流程，并以某模块化综合机架为研究对象，开展了相关的结构热设计与分析研究。仿真分析和实物样机的试验结果均表明，该设备的结构热设计合理、有效。本文提出的结构热设计流程、散热措施可为同类产品的研发提供参考。