刘晓红，赵德斌

(北京无线电测量研究所， 北京 100854)

某机载雷达密闭式机箱的热设计*

刘晓红，赵德斌

(北京无线电测量研究所， 北京 100854)

文中针对机载电子设备的环境特点，开展了密闭式机箱的热设计工作，重点在于降低插件导冷板的板内横向传导热阻和机箱侧壁风道的对流热阻。仿真分析和试验测试均证实，热设计能够保证机箱内电子设备在高温工况下正常工作。在密闭式机箱散热过程中，冷却空气与电子器件不直接接触，因而在解决散热问题的同时，也提高了机箱的环境适应性，尤其适用于机载电子设备。而人工石墨贴片则适用于以导热为主要散热措施的场合，用于解决集中热源的散热问题。

机载雷达；密闭机箱；热设计

引 言

机载电子设备具有总功耗不大、局部热流密度高、体积小、重量轻等特点，面临的热环境条件包括高温、低气压、湿热、霉菌、盐雾等，这些都为散热设计带来了困难[1]。为了提高电子设备的可靠性，密闭机箱成为机载机箱结构的首选。所有电子设备安装在密闭机箱内，机箱侧壁成为唯一的散热途径，冷却介质经过机箱侧壁，通过对流换热把机箱内部热量带走。密闭机箱具有结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高等特点，尤其适用于无人机等无环控的机载平台[2-6]。

本文根据某机载雷达的研制要求，开展了密闭式机箱的热设计工作，并通过仿真分析和试验测试验证了其散热效果。

1 机箱结构

为满足机箱散热要求，同时兼顾雷达系统研制任务书的高温、低气压、霉菌、盐雾等环境适应性要求，机箱结构选取外部强迫风冷的密闭式机箱，如图1所示。电子插件位于机箱内部，通过楔形锁紧条与机箱侧壁连接。楔形锁紧条固定安装在插件导冷板上。在机箱侧壁的外侧设计风冷散热器，在机箱背板安装轴流风机。通过与机箱内部卡槽紧密接触，插件热量传导至机箱侧壁。外部环境的冷空气由机箱前面板的进风口进入，流经机箱侧壁外侧的散热器，带走热量后进入机箱后部的夹缝内，最后由机箱背板的轴流风机排出。在散热循环中，机箱内电子器件不与潮湿空气接触，避免了恶劣气候条件对设备造成的直接危害，同时在机箱前面板的电连接器、机箱上下盖板四周等位置做密封处理，实现机箱内电子器件与外界环境的彻底隔绝。插件及导冷板结构如图2所示。

图1 机箱结构(隐藏上盖板和侧盖板)

图2 插件及导冷板结构

如图3所示，插件上电子器件的热流传递路径为电子器件→导冷板→导冷板边缘→机箱侧壁卡槽→风道，最后由风机将热量带走。热流传递路径上的主要热阻为导冷板的横向导热热阻和机箱侧壁风道内的对流热阻，降低这2项热阻是解决机箱散热问题的关键。

图3 电子器件的热量传递路径

2 热设计

机箱内总的热负荷为270 W，热设计指标为：环境温度55 ℃，机箱侧壁内部卡槽温度低于70 ℃，A4插件的FPGA器件壳温低于80 ℃，其他插件的电子器件壳温低于85 ℃。

2.1 插件导冷板的设计

插件导冷板的主要作用为：1)将电子器件的热量迅速传导至插件两侧，避免热量堆积进而引起电子器件过热；2)对电子器件起保护作用，电子器件与空气隔绝，可提高电子器件的环境适应性；3)对印制板起到加固作用，可提高插件的抗震动性能。综合考虑传热性能、可加工性、重量、耐腐蚀性、成本等因素，选取铝合金-6063为插件导冷板的材料，其导热系数约为208 W/(m·K)。

根据傅立叶定律推导传导热阻的公式：

R=(t1-t2)/Qj=L/(λWδ)

式中：t1为电子器件对应位置的导冷板温度；t2为导冷板的边缘温度；Qj为电子器件的热负荷；L为热量传输距离；λ为导冷板的导热系数；δ为冷板厚度；W为冷板宽度。

分析传导热阻的计算公式发现，在导冷板材料确定、器件尺寸和热耗已知的条件下，热量传输距离和导冷板厚度是影响传导热阻的关键因素。即器件布置在印制板的边缘，热量传输距离最短，传导热阻最小；导冷板越厚，传导热阻越小。由此可知，传导热阻与导冷板厚度成反比，与导冷板的导热系数成反比。以某插件的FPGA器件为例，采用仿真分析验证导冷板厚度对传导热阻的影响。插件为标准3U VPX插件，导冷板长160 mm，宽100 mm。FPGA器件的封装尺寸为35 mm × 35 mm，热耗为20 W。FPGA器件在插件的中间位置。

图4给出了在恒定温度边界条件下导冷板厚度对器件温度的影响(温度变化范围为55 ℃～77 ℃)。导冷板厚度δ为1 mm、2 mm、3 mm和5 mm，对应的FPGA器件温度分别为77.15 ℃、68.2 ℃、65 ℃和63.9 ℃。由此可知，增加导冷板厚度可以有效降低器件温度，但当导冷板的厚度达到某一数值后，继续增加厚度对降低器件温度的贡献很小，反而会增加重量。因此，插件导冷板的厚度选为2.5～3 mm。经过详细设计，该插件导冷板的结构如图5所示。

图4 导冷板厚度对器件温度的影响

图5 插件导冷板结构

2.2 机箱侧壁风道的设计

根据公式Q=hA(ths-ta)估算将机箱内热量带走所必需的散热面积A。式中：Q为机箱内的热负荷;h为对流换热系数，按照强迫风冷的经验值估算，h= 50 W/(m2·K)；ths为散热器温度，ta为流经散热器的空气温度，根据工程经验，散热器与冷气之间的温差(ths-ta)为15 ℃～25 ℃，这里取20 ℃。计算得到必需的散热面积A= 0.27 m2，即机箱侧壁单侧风道的散热面积至少应为0.135 m2。

机箱侧壁风道的设计应综合考虑散热面积和流动阻力的因素。利用仿真分析对散热器的几何参数进行优化，结果如下：

1)散热器整体长286 mm，宽130 mm，高20.5 mm；

2)散热器基板厚2 mm，风道盖板厚2 mm；

3)散热齿高16.5 mm，散热齿厚1 mm，散热齿间距6 mm，散热齿数约为17个；

4)单侧风道的散热面积为0.17 m2。

2.3 风机选型

根据公式Q=cpρQv(ta,out-ta,in) 计算将机箱内热量带走所必需的通风量Qv。式中：机箱内热负荷Q取270W；cp为空气比热容，定性温度t= 55 ℃，cp取1 005 J/(kg·K)；ρ为空气密度，取1.076 5 kg/m3；ta,in为散热器的进口空气温度，ta,out为散热器的出口空气温度，根据设计经验，一般进出口空气温差(ta,out-ta,in)为10 ℃。计算得到所需通风量Qv= 90 m3/h。

按照10%设计余量计算，机箱的通风量应不少于100m3/h，即流经机箱侧壁单侧风道的风量不少于50 m3/h。采用软件计算50 m3/h空气流经机箱侧壁单侧风道需要克服的流动阻力约为100 Pa。

根据设计要求，机箱风机需提供的通风量大于100 m3/h，风压大于100 Pa，并且留有一定余量，以克服空气流经风道出口与机箱背板之间的夹缝所需的流动阻力。选用的风机型号为EBM-papst 3212JH3，其外形尺寸如图6所示，风机特性曲线如图7所示，风机相关参数详见表1。

图6 风机外形尺寸

图7 风机特性曲线

表1 风机参数

3 仿真分析

仿真分析条件为环境温度55 ℃，分析结果如下：

1)机箱通风量为112 m3/h，风阻为260 Pa，满足通风量要求，风机工作点基本合理。

2)如图8所示，机箱侧壁内部卡槽的最高温度为70 ℃，满足热设计要求。

图8 机箱温度

3)机箱内关键插件的仿真分析结果见表2。A4插件的FPGA器件壳温为80.8 ℃，其他插件的电子器件壳温均低于85 ℃，满足热设计要求。

表2 关键插件的仿真分析结果

4)流经机箱侧壁风道的空气流线如图9所示，基本合理。

图9 机箱流线

4 试验测试

试验在55 ℃环境试验箱中进行，试验用仪器为横河GP20数据采集仪和热电偶配合使用。测试结果见表3。

表3 关键插件的温度测试结果

从表3的测试结果来看，所有电子器件的温度均满足热设计要求。对比表2和表3发现，仿真分析得到的温度数据比试验测试结果高，误差在5 ℃以内。

为了改善A4插件FPGA器件的散热效果，在导冷板的外侧粘贴单面备胶的人工石墨贴片(面内导热系数高于600 W/(m·K))，将热源均匀化，如图10所示。再次测试的结果表明，FPGA器件壳温为75 ℃，下降了5 ℃，效果明显。

图10 石墨贴片的位置

5 结束语

为满足雷达系统研制要求，本文开展了外部强迫风冷的密闭式机箱的热设计工作。仿真分析和试验测试均证实，该机箱的热设计能够保证机箱内电子设备在高温工况下正常工作。人工石墨贴片面内导热系数高，在以导热为主要散热措施的场合，可将集中热源均匀化，辅助解决集中热源的散热问题。

因密闭式机箱自身的结构特点，在散热过程中，冷却空气只流经机箱外部的散热器和风机，与电子器件/插件均未直接接触，因而在解决散热问题的同时，也提高了机箱的环境适应性。该密闭式机箱尤其适用于机载雷达高温、高湿、霉菌、盐雾的环境条件。

[1] 徐伯遐. 抗恶劣环境的电子设备热设计探讨[J]. 雷达与对抗, 2000(1): 49-54.

[2] 宋敏, 程翔宇. 某型号雷达室外密封插箱研制综述[J]. 电子机械工程, 2008, 24(3): 47-49.

[3] 陈小宁, 魏汉军. 全密封机箱的热设计研究[J]. 可靠性设计与工艺控制, 2004(5): 49-51.

[4] 陈登瑞, 姜笃山, 赵文虎. 某高热密度密闭机箱设计[J]. 电子机械工程, 2013, 29(3): 5-7.

[5] 李增辰, 褚俐. 某密闭电子设备的热设计[J]. 电子机械工程, 2009, 25(4): 7-9.

[6] 段生记, 张敏强. 电子机箱抗恶劣环境热设计方法[C]// 2009年机械电子学学术会议论文集. 太原: 中国电子学会电子机械工程分会, 2009.

刘晓红(1982-)，女，高级工程师，主要从事雷达结构热设计工作。

Thermal Design of Closed Cabinet for Airborne Radar

LIU Xiao-hong，ZHAO De-bin

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

To meet the environment requirements of electronic equipment for the airborne radar, thermal design of the closed cabinet is carried out in this paper. The key techniques of thermal design focus on two points. The first one is to lower the conduction thermal resistance of the module cooling plate. The second one is to lower the convection thermal resistance of the heat sink located on the side of the closed cabinet. Thermal analysis and experiments show that all electronic equipment in the closed cabinet can work normally under high temperature. Because of structural features of the closed cabinet, the cooling air doesn′t contact directly with the electronic equipment. Therefore, not only the heat radiation problem of the cabinet is solved but also its environment adaptability is improved. This closed cabinet can be widely used in the adverse environment as the airborne radar. Graphite film exceeds copper in thermal conductivity, which is suitable for the homogenization treatment of higher heat flux in local area.

airborne radar; closed cabinet; thermal design

2016-07-28

TK124

A

1008-5300(2016)06-0014-04