舰船电源机箱散热结构设计及优化

2023-12-08陈宁宁

科技创新与应用 2023年35期

陈宁宁

（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）

随着舰船电子、通信技术快速发展，舰艇设备的配备不仅越来越先进，也越来越完善，内部电子设备高度集成化、功能更加强大、反应更灵敏。同时舰船电子设备内部存在大量元器件，在电子设备工作中高度集成化的元器件会产生大量的热能，导致舱室工作温度快速升高，如果这些电子设备散热存在问题，当舰船内电子设备内部板卡及电子元器件温度超过临界值时，设备就会进入热保护状态，不能正常工作，这势必会影响整个舰船的工作。由此可见，舰船内部电子设备本身具备良好的散热性能尤为重要[1]，在舰船电子设备结构设计过程中就要进行散热设计，散热设计也是保证舰船电子设备安全、可靠性的必要条件，为舰船的正常工作保驾护航。

在舰船中，电源机箱肩负着为其他设备供电的职责，在工作时其输出功率只占设备总功率的一部分，其中损失的功率会以热能的形式散发出来，这将导致设备内部积聚大量的热量。倘若结构设计不合理，积聚的热能不能有效地散发出去，会严重影响电子元器件的寿命和设备的可靠性[2]。针对此情况，本文设计了一种舰船用智能电源机箱，该机箱属于通风型散热机箱，解决了舰船高温环境下机箱散热问题，并且可以通过前面板可视化窗口实时监控机箱内各盘位电源模块工作时功率额度比及工作温度。

1 电源机箱散热结构设计

1.1 散热方式

自然界中热传递有3 种方式：辐射、传导和对流[3-5]。辐射通过电磁波方式向外进行传播，其原理是温度升高后，物体内部原子中电子震动引起的辐射，辐射能量一部分会被物体吸收，被吸收的能量会转化成热能散发出去。传导是热量在直接接触的2 个物体表面进行传递，采用热传导方式进行散热时可以采用以下措施。①通过导热系数高的金属件与高温元器件贴合进行散热，因为金属材料的导热系数普遍高于非金属材料，因此经常采用铝金属材料作为热传导零件。②增大散热本体与散热零件之间的接触面积，其中2 个物体接触面之间不要有间隙，因为空气导热系数小，会起到隔热作用，降低热量传导效果，因此应尽可能减小接触表面粗糙度，均匀地增加接触压力，最常用的方法是在两者接触面之间增加导热系数好的硅胶填隙料，既可以排除接触空气减少热阻，又能增加接触面积。对流是依靠发热物体周围流体介质的流动将热能转移出去的过程，由于流体运动的原理不同，对流散热的方式可以采用自然对流或者强制对流，自然对流是由流体冷热不均造成的温度差引起，强迫对流是由于外部机械力的作用加速流体的运动，使热能快速离开发热物体表面，起到加强对流作用，利用热对流散热时可以加大散热器散热面积，同时将散热器形状做成肋状等[6-7]。根据以往设计经验，在机箱设计中多采用混合散热方式，可以更有效地降低热能，提高设备工作稳定性和可靠性。

1.2 机箱散热结构

根据舰船电子装备需求，本文设计一种大功率智能电源机箱，该机箱为19 寸标准机箱，可适配舰船内部其他电子设备，如机柜等，符合舰船电子设备机箱通用规范，机箱材质采用耐腐蚀性好且表面经过耐腐蚀处理的高性能轻合金，充分考虑其强度和刚度，满足舰船恶劣环境下的应用。该电源机箱具体结构如图1 所示，具体参数如下：①机箱外形尺寸为482.6 mm×438 mm×132.5 mm，材料采用防锈铝合金且机箱整体经过电磁屏蔽处理；②电源机箱内部有5 个功率盘位，自左向右依次为1、2 号（主功率盘），3、4、5 号（从功率盘），电源模块为机箱内部主要发热元器件；③机箱工作状态下输出最大总功率为900 W，1 号和2 号为主要工作盘位；④电源模块最佳工作温度临界值为70 ℃；⑤机箱内电源模块采用散热片接触传导散热，以及前、后面板安装散热风扇强制对流的混合散热方式；⑥机箱前面板设计有进风口，如图2 所示，且主、从功率盘工作时盘内温度和输出功率比值可以在显示屏上实时显示。

图1 电源机箱结构设计图

图2 电源机箱前视图

电源模块与散热片安装方式如图3 所示，散热片结构采用肋片结构，结构尺寸如图4 所示。散热片与功率盘PCB 板上散热模块接触面之间粘贴导热硅胶，然后对功率板均匀施加压力，尽可能排出两者之间的空气，减少空气热阻的同时增大接触面积。

图3 电源模块结构图

图4 热片结构示意图

2 机箱散热试验结果分析

将机箱负载设置为600 W，工作环境温度为25 ℃，主功率盘位和从功率盘位分别单独连续工作，通过监控窗口记录机箱内各盘位温度及功率额度比值。电源模块与散热器通过导热硅胶接触传导散热，机箱内部通过排风扇将电源模块散发的热能排出到机箱外部。直至机箱结束工作时各盘位温度趋于稳定，记录试验结果，见表1 和表2。

表1 600 W 负载时双主功率盘温度测试结果

表2 600 W 负载时从功率盘温度测试结果

机箱负载设置为900 W，机箱处于满负载工作状态，工作环境温度为25 ℃，因机箱工作后机器内余热没有完全散发，机箱内主、从功率盘初始温度略高于室温，但此温度不影响试验结果。主功率盘位和从功率盘位分别单独连续工作，记录各盘位温度。电源模块与散热器通过导热硅胶接触传导散热，机箱内部通过排风扇将电源模块散发的热能排出到机箱外部。截至试验结束时，各盘位温度上升超过最佳温度临界值，机箱进入热保护状态，停止工作。记录试验结果，见表3 和表4。

表3 900 W 负载时双主功率盘温度测试结果

表4 900 W 负载时从功率盘温度测试结果

从试验结果可以看出，电源模块目前采用的散热结构，在低负载的情况下可以正常工作，但在机箱满负载工作时，电源模块产生的热量并不能有效排出，散热效果不明显，当机箱继续工作时，大量热能积聚在机箱内部无法有效排除，导致电源模块温度呈上升趋势直至到达最佳工作温度临界值，最终电源模块进入断电保护状态，停止工作。

3 机箱散热结构优化改进

3.1 结构优化改进

根据以上试验结果，为保证机箱能够在舰船高温恶劣环境下正常工作，对电源机箱进行结构改进，以满足热性能要求。具体为：优化机箱电源模块内部结构，在电源模块壳体上增加进、出风口，进风口处加装散热风扇，增加内部进风量的同时在电源模块内部形成强制对流，尽可能地将电源模块产生的热量带走，从而达到降低温度的目的，优化改进后具体结构如图5 和图6 所示。

图5 改进后的电源模块结构图

图6 改进后的电源模块结构图

改进后的电源模块重点是内部风扇的选型，计算风量指标Q（单位：CFM），具体如公式（1）所示。

式中：Vt为风扇风速，m/s；St为盘内风道截面积，m2。

舰船工作环境温度T2 为50 ℃，根据模块选型手册可知，模块最佳工作温度T1 临界值为70 ℃，故模块最大容许温升如公式（2）所示。

模块热耗散功率计算如式（3）所示。

式中：P 为模块额定输出功率，根据所购模块的选型手册可知，P 为700 W；η 为模块工作效率，根据所购模块手册可知，工作效率为90%。

故可得出散热器热阻（单位：℃/W），如公式（4）所示。

根据电源模块技术手册可知，当风扇风速达到4.0 m/s 时，散热器热阻小于0.29 ℃/W，风速提高，散热器热阻的数值会显著减小。因此，可根据此风速代入式（1）计算所需的风量。

3.2 改进后试验结果分析

将机箱负载设置为600 W，主功率盘位单独工作，采用优化改进后的风道结构进行试验，不限定机箱工作时间，记录试验结果，见表5。截止试验结束，盘位温度趋于稳定，保持在56 ℃。从功率盘单独工作，采用改进后的机构进行试验，不限机箱工作时间，记录试验结果，见表6，截至试验结束，从功率盘温度达到稳定状态，不再继续上升。