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摘要：針對(duì)某機(jī)載交換機(jī)的高功耗、密封、屏蔽的特點(diǎn)，提出密封設(shè)備通風(fēng)散熱的結(jié)構(gòu)形式，并通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。簡要介紹設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、熱源布局，制定初步的散熱方案，并通過仿真進(jìn)行分析；針對(duì)仿真結(jié)果中局部熱流密度較大的問題，提出密封設(shè)備通風(fēng)散熱的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹該方法的該結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行仿真分析，確定交換機(jī)的散熱方案，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的科學(xué)性、合理性。

關(guān)鍵詞：密封設(shè)備；通風(fēng)散熱；Icepak；離心風(fēng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TH122   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B   文章編號(hào)：1671-2064(2023)21-0099-04

0引言

散熱性是電子設(shè)備的重要指標(biāo)^[1]，密封設(shè)備一般采取自然對(duì)流和輻射的方式散熱^[2]。但是，隨著科技的進(jìn)步，電子設(shè)備的集成化程度越來越高，其內(nèi)部器件正朝著小型化、集成化、高功耗化的趨勢(shì)發(fā)展，導(dǎo)致設(shè)備熱流密度的急劇升高^[3-4]。密封設(shè)備僅僅依靠自然對(duì)流和輻射散熱，難以滿足其工作要求。某交換機(jī)為機(jī)載設(shè)備，要求電磁兼容、密封、耐高低溫。設(shè)備的總功耗大、主芯片功耗大，采用傳統(tǒng)的貼壁散熱無法滿足設(shè)備高溫環(huán)境工作的要求，如果采用通風(fēng)散熱，無法滿足設(shè)備密封性的要求。經(jīng)過深入研究、分析和試驗(yàn)，設(shè)備采用密封設(shè)備通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)方法，既滿足設(shè)備密封性，又滿足高溫工作的要求。該方法解決了密封設(shè)備散熱效率低的問題，為密封設(shè)備散熱提供了新的設(shè)計(jì)思路。 

1交換機(jī)散熱設(shè)計(jì)

某機(jī)載交換機(jī)為19英寸上架設(shè)備，高度2U。設(shè)備要求具有密封防水、電磁屏蔽、防煙霧、防霉菌、防沙塵等性能，因此設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成密封機(jī)箱。設(shè)備由機(jī)箱、前面板、后面板、控制交換單元、電源單元等組成。

設(shè)備要求最高工作溫度為45℃，其熱源主要集中在控制交換單元和電源單元上，控制交換單元和電源單元安裝后的位置如圖1所示，控制交換單元和電源單元熱源的位置和發(fā)熱量如圖2所示。從圖中可以看出，交換機(jī)熱源分布相對(duì)均勻，熱流密度不大。

因?yàn)榻粨Q機(jī)是密封設(shè)備，所以采取對(duì)流散熱和輻射散熱。先通過傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到機(jī)箱表面，再通過對(duì)流和輻射散熱。具體散熱方案：（1）將控制交換單元和電源單元固定到底板上，蓋板增加散熱凸臺(tái)與熱源對(duì)應(yīng)，使熱源的熱量傳遞到蓋板上。（2）在散熱凸臺(tái)與熱源之間安裝高效導(dǎo)熱襯墊，提高導(dǎo)熱效率。（3）蓋板外表面增加散熱翅片，提高散熱面積，同時(shí)表面進(jìn)行噴漆處理。

圖1 控制交換單元和電源單元安裝位置圖

圖2 交換機(jī)熱源位置圖

2交換機(jī)散熱仿真分析

按照既定的方案建立交換機(jī)的散熱模型，使用Icepak軟件進(jìn)行散熱仿真分析，驗(yàn)證散熱方案是否滿足環(huán)境適應(yīng)性要求。使用Icepak進(jìn)行散熱分析的具體步驟：（1）建立模型；（2）應(yīng)用材料；（3）施加約束和載荷；（4）劃分網(wǎng)格；（5）運(yùn)行分析；（6）分析結(jié)果^[5]。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)建立了底板、導(dǎo)熱襯墊、控制交換單元、電源單元、蓋板的三維模型，如果進(jìn)行熱仿真需要對(duì)模型進(jìn)行簡化，刪除不必要的特征，如圓角、孔等，以提高仿真速度^[6]。對(duì)于本算例，建立裝配體，保留發(fā)熱器件、導(dǎo)熱襯墊和蓋板。模型簡化后導(dǎo)入Icepak中^[7]，導(dǎo)入后的仿真模型如圖3所示。

賦予算例中零件材料參數(shù)。蓋板材料為5A06鋁合金，其導(dǎo)熱系數(shù)為117 W/(m·K)^[8]。導(dǎo)熱襯墊的導(dǎo)熱系數(shù)為6W/(m·K)^[9]。將圖2中的發(fā)熱量添加到各發(fā)熱器件上，環(huán)境溫度設(shè)定為45℃。

劃分網(wǎng)格是將模型分割成有限個(gè)單元，網(wǎng)格的大小決定了計(jì)算的精確度。網(wǎng)格越小，計(jì)算量越大，計(jì)算結(jié)果越精確^[10]。在大多數(shù)仿真分析過程中，默認(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置使離散化誤差保持在可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)計(jì)算時(shí)間比較短。對(duì)于一些較小的特征或者散熱翅片可以采用局部加密的方式提高網(wǎng)格數(shù)量，設(shè)置完成后運(yùn)行求解器，進(jìn)行仿真分析^[11]。

求解完成后，軟件采用云圖的方式顯示溫度，分析結(jié)果如圖4所示。從溫度云圖中可以看出，交換機(jī)的最高溫度為117℃，有兩個(gè)處理器芯片，處理器芯片的允許最高工作溫度為100℃。在此散熱仿真中，其實(shí)際工作溫度超出了允許工作溫度，此方案無法滿足交換機(jī)散熱要求，需要改進(jìn)優(yōu)化。

 

圖3交換機(jī)散熱仿真模型

 

圖4交換機(jī)散熱仿真溫度云圖 

3交換機(jī)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1密封設(shè)備自然對(duì)流散熱設(shè)計(jì)方法

密封設(shè)備自然對(duì)流散熱設(shè)計(jì)是針對(duì)集成度高、功耗大、使用環(huán)境苛刻的設(shè)備進(jìn)行密封性、電磁兼容性和散熱能力的兼顧設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方法如下。

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。將設(shè)備分為密封腔和散熱腔兩部分。密封腔內(nèi)一般位于設(shè)備下層，安裝設(shè)備的主要組成部件，如印制板、燈板、電源、連接器等。散熱腔內(nèi)一般位于設(shè)備上層，安裝風(fēng)機(jī)。設(shè)備結(jié)構(gòu)形式圖如圖5所示。

圖5 設(shè)備結(jié)構(gòu)形式圖

（2）散熱原理。密封設(shè)備通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)原理是將密封腔的熱源貼緊密封腔的蓋板，使其熱量通過傳導(dǎo)的方式傳遞至散熱腔的散熱翅片上，再通過風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫對(duì)流帶走熱量。

（3）散熱設(shè)計(jì)步驟。首先，散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)設(shè)備密封腔和散熱腔的結(jié)構(gòu)。其次，散熱翅片設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)散熱翅片厚度、翅片間距、翅片高度。再次，風(fēng)機(jī)選型。根據(jù)設(shè)備總發(fā)熱量和散熱翅片參數(shù)選擇風(fēng)機(jī)。最后，導(dǎo)熱墊選型。根據(jù)每個(gè)熱源的尺寸和發(fā)熱量選擇合適的導(dǎo)熱墊。

3.2交換機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

從圖4中可以看出，處理器芯片的熱流密度很大，僅靠自然對(duì)流散熱無法滿足需要。經(jīng)過調(diào)研和分析，提出了密封設(shè)備通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，其主要特征：（1）在機(jī)箱內(nèi)增加散熱板，與機(jī)箱面板與側(cè)板接觸，形成一個(gè)密封空間，設(shè)備主要組成部分安裝在其內(nèi)部。（2）散熱板底部有散熱凸臺(tái)與發(fā)熱器件對(duì)應(yīng)，使其熱量傳遞到散熱板上。（3）散熱板頂部留有較高的散熱翅片，以提高散熱面積。（4）散熱板后部安裝到風(fēng)扇板，風(fēng)扇板上有離心風(fēng)機(jī)，采取下進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)的方式。（5）前面板和后面板頂部有通風(fēng)口，前進(jìn)風(fēng)，后出風(fēng)。（6）設(shè)備的蓋板與散熱板、側(cè)板和面板形成風(fēng)道，為設(shè)備提供良好熱交換能力。（7）蓋板處有導(dǎo)風(fēng)板，將前面板進(jìn)來的風(fēng)壓低，使其更好地與散熱翅片底部接觸，同時(shí)也能更好地被離心風(fēng)機(jī)吸取并吹出機(jī)箱。

此散熱方式優(yōu)點(diǎn)：（1）機(jī)箱采取密封的結(jié)構(gòu)形式，耐煙霧、霉菌、濕熱、沙塵，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。（2）采用強(qiáng)迫對(duì)流散熱，具有較高的散熱效率。（3）前面板和后面板頂部留有通風(fēng)孔，其風(fēng)道是前進(jìn)風(fēng)，后出風(fēng)。改進(jìn)后設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖（改進(jìn)后）

3.3風(fēng)機(jī)選型

設(shè)備總發(fā)熱量為150W，計(jì)算設(shè)備所需的總風(fēng)量

設(shè)備并聯(lián)安裝5個(gè)離心風(fēng)機(jī)，每個(gè)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為。為保證每個(gè)風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)風(fēng)量大于5.26CFM，取單個(gè)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)向?yàn)橛?jì)算總風(fēng)量的2倍。初步選擇風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量為10.52CFM。

根據(jù)風(fēng)阻估算方法估算設(shè)備風(fēng)阻^[12]，計(jì)算阻抗曲線。風(fēng)機(jī)型號(hào)為離心風(fēng)機(jī)SFD-BB0612HB。

3.4導(dǎo)熱墊選型

導(dǎo)熱墊選型主要是選擇導(dǎo)熱墊的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和黏性。部分熱源的安裝方式為熱源安裝在主板上，主板固定在散熱板上；另一部分熱源的安裝方式為熱源安裝在小板上，小板再固定到主板上，主板安裝在散熱板上。考慮到同一設(shè)備采用相同型號(hào)的導(dǎo)熱墊，選擇較為常用的2mm的導(dǎo)熱墊。對(duì)于強(qiáng)迫對(duì)流散熱而言，其導(dǎo)熱墊產(chǎn)生的熱阻和溫升對(duì)散熱系統(tǒng)影響較小，選擇常用的導(dǎo)熱系數(shù)即可，即6W/(m·K)的導(dǎo)熱墊。由于主板熱源數(shù)量多，考慮到拆卸需求，使用單面黏性的導(dǎo)熱墊。

通過計(jì)算，最終選擇的導(dǎo)熱墊型號(hào)為高導(dǎo)熱填隙材料 CHLT-20FG，厚度為2mm，導(dǎo)熱系數(shù)為6W/(m·K)，采用單面黏性。

3.5仿真分析

對(duì)改進(jìn)后的設(shè)備進(jìn)行散熱仿真分析，其結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，兩個(gè)處理器芯片的最高溫度為103℃，仍然高于其最高工作溫度。風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量圖如圖8所示。從圖中可以看出，風(fēng)壓較低，風(fēng)阻較大。

根據(jù)以上結(jié)果，采取去掉導(dǎo)風(fēng)板，降低風(fēng)阻，再次進(jìn)行仿真分析。其結(jié)果如圖9和圖10所示。從圖中可以看到，兩個(gè)處理器芯片的最高溫度為96℃，低于其允許最高工作溫度；風(fēng)機(jī)的風(fēng)量變化不大，但其進(jìn)出風(fēng)口的風(fēng)壓增大了將近3倍，說明風(fēng)道的風(fēng)阻較小，風(fēng)速較大。

按照此方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)加工完成后，進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，在環(huán)境溫度為45℃時(shí)，測(cè)得兩個(gè)處理器芯片的溫度為95℃，與仿真結(jié)果相近。仿真和試驗(yàn)證明了該散熱方案是合理、可行的。

 

圖7交換機(jī)散熱仿真溫度云圖

 

圖8交換機(jī)散熱仿真風(fēng)速云圖

 

圖9交換機(jī)散熱仿真溫度云圖

 

圖10交換機(jī)散熱仿真風(fēng)速云圖

4 結(jié)語

設(shè)備散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)前應(yīng)首先獲得熱源、使用環(huán)境、密封性、屏蔽性要求等資料和參數(shù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算或仿真分析^[13]。同時(shí)，還應(yīng)考慮加工工藝、加工誤差、材料成本、散熱方式等因素。因此，設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，與密封設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)息息相關(guān)，要統(tǒng)籌考慮，在滿足密封性和屏蔽性的基礎(chǔ)上，如何選擇合適的散熱方式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)^[14]。本文提出的密封設(shè)備通風(fēng)散熱方法兼顧了設(shè)備的密封性、屏蔽性的同時(shí)，具有較高的散熱效率，值得在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣和應(yīng)用。

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Thermal Analysis and Design of Airborne Switches

SONG Zhiyang,MA Jianzhang,GAO Chiming

(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang  Hebei  050081)

Abstract:Forcing to the high power, sealing, electromagnetic shielding of airborne switches structure, the ventilation and heat dissipation structural form for sealing equipment is put forward. The structural form is proved by simulation and experiment. The structure of airborne switches and the heat sources placement are simply introduced. The heat dissipation plan is made and analyzed. The ventilation and heat dissipation method of sealing equipment is expounded forced to the local high heat flux density. The structure and advantage is introduced detailedly and analyzed. At last,the method is scientific and effective proved by the simulation and experiment.

Key words:sealing equipment;ventilation and heat dissipation;Icepak;centrifugal fan