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一种机载综合通信设备的结构设计

2020-09-10郭燕

内燃机与配件 2020年7期
关键词:风冷

郭燕

摘要:某机载综合通信设备结构设计过程中发热问题比较突出,为此设计了一种模块化强迫风冷机箱结构,既具有良好的散热能力,同时兼顾机载设备减重、振动及电磁兼容等方面环境适应性要求。设计过程中应用热仿真软件,建立了整机的热仿真模型,分析了高温工作时设备散热性能。设备样机顺利通过了高温摸底试验,表明该散热结构方案有效可行。

Abstract: The heating problem in the structural design of an airborne integrated communication equipment is quite prominent. For this reason, a modular box structure of forced air cooling is designed, which has good heat dissipation capacity. At the same time, environmental adaptability requirements for weight reduction, vibration and electromagnetic compatibility of airborne equipment shall be considered.  By application of thermal simulation software in the design process, the thermal simulation model of the whole machine is established. The heat dissipation performance of the equipment at high temperature is analyzed. The prototype of the equipment has passed the high temperature bottom test successfully, which shows that the design scheme of the heat dissipation structure is effective and feasible.

关键词:机载终端设备;热设计;风冷

Key words: airborne;thermal design;air cooling

0  引言

随着通信设备在机载方向的应用越来越广泛,对设备的集成化要求越来越高,热设计成为结构设计中极其重要的一个环节。热设计不仅会影响设备的性能指标,更重要的会对设备的使用寿命产生影响。在某型集成导航、卫通、数据链的综合设备的设计过程中,由于安装条件受限,需要设计的体积为256.3 mm(宽)×370mm(深)×200mm(高),重量小于15kg,功耗为500W的机载设备。满足GJB150.18A试验要求,40g,11ms,各向6次的冲击以及GJB150.15A试验要求,各向13.5g加速度。根据设计的要求,在满足机载设备冲击振动、电磁兼容性等要求的基础上,解决设备的散热问题为主要难点,通过仿真分析迭代,设计了一种散热优良的结构形式。

1  结构设计

传统的综合设备大多采用联合式结构,各设备独立运行,设备堆叠,设备与设备之间主要通过总线实现信息交互。整个系统呈现为松散耦合的状态,设备间时间同步性能较低,难以满足多体系的使用需求。同时,硬件和软件功能绑定、呈现出紧密耦合的状态,无法通过快速重构技术,适应快速多变的要求。因此该综合设备采用软件定义的形式,构建自适应、高生存,自组织、多功能的弹性机载综合,实现软件和硬件解耦合、软件自适应重构的综合系统、满足架构开放化、装备通用化、功能软件化的设计理念。在结构设计上,参考标准航空机载机箱的尺寸和安装使用要求,应用模块化结构设计理念,各功能板卡采用传统风冷的非标VPX模块,以混装母板作为信号的交联枢纽,以轴流风机作为冷却风源,各模块以积木拼装式结构组合成风冷屏蔽机箱,总体设计使得体积、重量、功耗等技术指标满足系统要求。

设备组成包括1块航电转接板卡、2块信号处理板卡、2块射频处理板卡、1块综合管理板卡、1块电源管理板卡7个板卡和接口转换单元、风冷散热单元等几部分组成。

接口转接单元采用板机焊装连接器的方式,提供设备的对外接口,风冷散热单元为整个设备提供风源。航电转接板卡、信号处理板卡、射频处理板卡、综合管理板卡、电源管理板卡外面均设计有锯齿结构的冷板,以增大散热面积。各板卡之间通过混装连接器连接,通过紧固条和导销实现了电气和机械连接的同步到位,同时各板卡之间形成散热风道,进而实现了电气、结构和散热的紧耦合结构,这种结构具有集成化高,体积小,重量轻,抗振好,散热好,维修方便等优点。设备的结构形式如图1所示。

内部板卡模块通过锁紧条锁紧固定,锁紧条可满足GJB150.18A试验要求,40g,11ms,各向6次的冲击,以及GJB150.15A试验要求,各向13.5g加速度。内部锁紧条结构形式见图2,板卡结构形式见图3。

1.1 热设计及仿真

机箱采用强迫风冷设计,后面板安装有3个60×60风扇,向机箱外部抽风。风道流向为从机箱前面板左侧进入,穿过6槽模块,从机箱后面板后侧流出(前视)。如图4所示。

根据热平衡方程[1],计算密封终端机箱散热方案所需要的通风量:

在公式中,Q为所需通风量(m3/h),Φ为总功耗(W),ρ为空气的密度(kg/m3),Cp为空气的比热(J/kg·℃),Δt为发热模块与机箱表面空气温差(℃)。发热模块与机箱表面的空气温差与机箱采取的散热方案的具体效果有关,含有印制板的风冷的系统,通风量计算时温差可按取值10℃。将总功耗按200W计算,考虑海拔4550m,查看空气密度-海拔表得知[2],该高度下空气的密度参数约为0.78kg/m3,空气的比热参数1005J/kg·℃和初步拟定的温差10℃代入公式中,可得机箱所需通风量为91.8m3/h。

根据风量计算机箱风扇初步选型,拟选用型号622HH,厂家EBM的风扇。该型风扇的规格为60×60×25.4,单个最大风量56m3/h(机箱共三个风扇),单个噪音43dB,供电电压DC 12V。风扇的特性曲线见图5。

分析环境温度设置为45℃, 修正海拔高度为4550m条件下,设备内的热量情况[3] [4],采用电子设备热分析软件FLO-THERM,根据功耗预估,对各个板卡的发热量设定相应的发热功率,热仿真模型网格划分时,对风扇及风道区域网格加密,通过局域化网格边界限制网格最大长宽比,划分完成后,模型总网格数约为412.3万,最大长宽比为12[5],仿真结果如图6-图8所示。

1.2 仿真结果分析

根据仿真分析析以上结果可知,机箱内部最高温度72.7℃,机箱温升为27.7℃,风扇工作点31.32m3/h,风阻52Pa。

机载综合终端内芯片工作温度不超过80℃,各芯片均在正常工作温度范围,622HH风扇可满足要求,能保证机载综合终端內各模块正常工作。

2  结束语

上述综合信道终端设备热耗高,要求体积小,重量轻,设计了一种模块化风冷的结构形式,解决了设备高热耗的散热问题。

设备已研制样机,并通过了高温摸底试验。强迫风冷的结构设计满足了设计要求。这种结构形式还具有抗振性好、维修方便等优点,对其他机载通信设备的结构设计有一定的借鉴意义。

参考文献:

[1]张小军,田珂.间接强迫风冷机箱的热设计与仿真[J].科技创新与应用,2012(32).

[2]黄冬梅,童水光,蔡巧言.空间环境下某电子产品的热设计 [J].导弹与航天运载技术,2005(05).

[3]电子设备热设计研究[J].制冷,2009(03).

[4]刘新博.电子设备模块热设计优化[J].科技视界,2013(07).

[5]龚国友.电子产品热设计原理及其散热面积的计算[J].成都电子机械高等专科学校学报,2009(02).

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