某地面电子方舱热设计

王 聪， 赵帮绪， 李逸凡

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所， 四川 成都 610041； 2.陆军装备部驻成都地区第三军事代表室， 四川 成都 610041）

0 引言

电子方舱作为机动式电子设备的承载单元， 根据功能要求，不断向高集成度的方向发展。通常电子方舱内会集成多个系统，然而舱内空间有限，因此热流密度会越来越高。舱内温度过高会影响电子设备正常工作，甚至会导致设备的故障率增高[1]。 与此同时，操作人员对于其在舱内工作的舒适度要求越来越高， 舱内温度以及设备噪声都会影响操作人员的舒适度， 进而会影响操作人员的工作效能。 因此，开展电子方舱的热设计时，应考虑电子设备降噪设计。

针对电子方舱的热设计， 研究人员给出了一些解决方案。 文献[2-4]采用设备级热分析软件ICEPAK 对特定电子方舱的进行建模、仿真计算、优化分析；文献[5]以提升人体热舒适性为目的，开展电子方舱空调系统的优化设计。 但上述文献的电子方舱内的风道结构相对简单，且未兼顾电子设备的降噪设计。 同时，采用ICEPAK 进行系统级电子方舱的热仿真分析，系统建模花费时间相对较长。

本文以某地面电子方舱为研究对象， 方舱内集成有任务系统、公用系统以及无人机系统，提供了一种兼顾电子设备降噪设计的热设计方案，并采用6SigmaRoom 软件对舱内热环境仿真，对风道设计及空调选型进行验证，从而提高电子方舱设计效率及准确性。

1 方舱布局及降噪设计

根据系统的研制要求， 重点考虑电子设备的降噪设计，兼顾功能分区、电气系统性能、车辆配重、使用便利性、维修便利性、改装可行性，进行方舱布局设计。 方舱内部布局如图1 所示。

图1 方舱内部布局图

方舱的外形尺寸（5000 ×2438 ×2000）mm， 舱内划分为工作舱、设备舱和无人机舱。 其中，工作舱、设备舱组成III 级屏蔽舱，工作舱与设备舱之间通过隔墙门隔开， 在系统工作时， 将隔墙门关闭，降低设备噪声对操作人员的影响。 隔墙门的中间区域内嵌透明有机玻璃， 方便操作人员观察电子设备工作状态； 同时在隔墙门与门框之间设置橡胶压条，能够有效阻止电子设备噪音从缝隙传入工作舱。隔墙门处结构如图2 所示。

图2 隔墙门处结构图

工作舱内布置有工作桌、座箱、笔记本、折叠椅、 笔记本电脑等，能够满足5 名操作人员同时开展工作。 设备舱内布置有4 组机柜、电子设备、无人机转轴箱、无人机电源箱等。 无人机舱为非屏蔽舱，其与工作舱、设备舱独立，在无人舱内布置无人机。

2 方舱热设计

2.1 风道设计

方舱系统通常选用军用空调设备对舱内的空气的温度、湿度和流速等进行控制，使舱内环境满足系统的工作要求[6]。 在该电子方舱的前壁安装一台整体式军用空调，对舱内的热环境进行调节和控制。 为了确保空调发挥其最大工作效能，需要对舱内的风道进行合理设计。

由于无人机不在舱内工作，且无人机舱与工作舱、设备舱独立。因此，仅需要考虑工作舱、设备舱的风道设计。结合方舱布局，风道设计如下：

（1）工作舱内顶面与前舱壁、右侧舱壁及隔墙接合处设置L 形主风道，在主风道上设置7 组出风口。空调冷风从空调出风口经风道送至工作舱内顶部，再由出风口处的风量调节器送至工作舱内，风量大小及方向可手动调节。

（2）工作舱右舱壁与隔墙接合处设置分支风道，一端连接主风道，另外一端连接设备舱风道，在设备舱风道上设置5 组出风口。 主风道内的冷风穿过隔墙送至设备舱风道，再由出风口处的风量调节器送至设备舱内。

（3）机柜内的电子设备均采用强迫风冷散热，设备内风道为前进风后出风，方舱后舱壁设置一个电动通风孔，系统上电后即工作，将设备舱内的热量及时抽出。

方舱内风道设计如图3 所示。

图3 方舱风道设计图

2.2 热负荷计算

方舱的热负荷主要包括舱体内外温差传热、太阳辐射热量、电子设备的热功耗，操作人员散热，新鲜空气换热等[7]。

式中：Q热—方舱的热负荷；Q1—舱内外温差传热；Q2—太阳辐射热量；Q3—电子设备热功耗；Q4—操作人员散热；Q5—新风换热。

式中：K—传热系数， 取1.5W/（m2×℃）；A—舱体内表面积；△T—舱内外空气温差。 系统要求工作的最高环境温度55℃， 舱内环境温度按26℃（人体舒适温度） 计算，因此，△T＝29℃。 经测算，舱体内表面积A≈48.3m2。 将△T、A 代入式（2）中计算Q1≈2101W。

式中：λ—遮阳系数，取0.65；Κ—传热系数；SS—被照射面积；ES—辐射强度，取1120W/m2；AS—吸收率，取0.8。被照射面积取舱体内表面积A 的一半， 即SS＝A/2≈24.15m2，代入式（3）中计算Q2≈992W。

式中：η—电子设备热效率，取0.16；Ν—电子设备最大输入功率总和。 经统计并计算Q3≈1811W。

式中：Ρλ—单个人体散发的热量；n—工作人数。舱内环境温度为26℃，取人体散发的热量Pλ＝125W，系统需5 名操作人员同时工作，代入式（5）中计算Q4＝625W。

式中：Cp—舱外空气比热，取1.006 kJ/（kg×℃）；ρ—舱外空气密度，取1.093kg/m3；V—换气量；△Τ—舱内外空气温差。 根据操作人员需要新鲜空气，按每人17m3/h 计算，换气量V＝5×17＝85m3/h，代入式（6）中计算Q5≈876W。

综上，计算Q热＝6405W。根据方舱热负荷并结合舱外设备布局，选用1 台FKWD-70 整体式军用方舱空调，空调制冷量为7000W，能满足方舱的制冷需求。

3 仿真计算及分析

本文采用专业的系统级热分析软件6SigmaRoom 对该电子方舱的热环境进行模拟分析。 6SigmaRoom 具有丰富多样的模型库，包括空调、机柜、服务器等专用模型，界面简单易用，操作便捷，支持三维模型导入，能有效提升仿真计算的效率。

3.1 仿真模型建立

利用三维建模软件建立电子方舱的简化模型， 并通过6SigmaRoom 软件的模型接口导入软件，建立计算实体并调整计算域，得到电子方舱的仿真模型如图4 所示。

图4 方舱的仿真模型

3.2 仿真参数设置

在6SigmaRoom 软件中设置仿真参数如下[8]：

（1）舱壁材料的导热系数设置为1.5W/（m·K），表面发射率为0.92，日光反射比为0.5；（2）风道材料的导热系数等效设置为1.3W/（m·K）；

（3）工作桌、座箱、机柜、折叠椅等舱内不发热器件根据实际材料情况设置；

（4）根据发热设备的实际功耗情况，设置4 个机柜内每个电子设备的功耗，设置操作人员的发热功耗；

（5）根据FKWD-70 空调的技术参数，设置空调的最大制冷量为7kW，最大流量为1500m3/h，温度控制点为18℃；

（6）设置环境温度为55℃；

（7）设置迭代步数为1000，采用标准KE 方程模型，激活太阳辐射，强度设置为1120W/m2，网格类型为非结构化网格，最小网格尺寸为1mm。

3.3 仿真结果及分析

通过网格生成、仿真计算、后处理得到方舱的温度场云图如图5 所示。

图5 方舱的温度场云图

方舱的热流场云图如图6 所示。

由仿真计算可知，工作舱的环境温度小于26℃，依据《GJB898A—2004 工作舱温度环境的通用医学要求与评价》标准，舒适等级要求的温度范围为18℃～27℃，因此，舱内温度适宜操作人员工作。 同时，设备舱内环境最高温度小于70℃， 局部高功耗设备温度在68.5℃， 温升不超过15℃，设备可稳定工作。 因此，所选型空调及风道设计能够满足操作人员及设备的工作要求。

4 测试验证

方舱内全部设备开机工作时， 采用声级计分别测量隔墙门打开及关闭时操作位的噪声值见表1。

表1 隔墙门打开/关闭操作位的噪声值

另外，打开空调并将风速调至高速风档，采用风速计测量风道出风口处的平均风速， 并计算风量及风量分配比例见表2。

测试结果表明：隔墙门处的降噪设计对噪声抑制效果明显，当隔墙门关闭后，操作位处的噪声下降10～12 dB；同时，风口1～风口7 位于主风道的风口，送入工作舱的风量占空调总风量的73.2%，风口8～风口12 位于设备舱的风口，送入设备舱的风量占空调总风量的26.8%，测试过程工作舱温度适宜，设备运行正常。

5 结束语

综上所述， 电子方舱内的工作舱与设备舱采用分离式布局设计，避免操作人员受设备噪声的影响，从而提升工作舱内的噪声舒适性；进而，根据舱内布局设计空调风道，通过理论计算选型空调，采用6SigmaRoom 进行仿真分析，最后测试验证设计方案合理可行，能够为同类方舱提供设计参考。