某電子設備熱設計分析與工程設計

楊少華 董吉印 劉兵

【摘要】隨著電子產品的飛速發展，雷達等電子設備集成度的不斷提高，熱設計成為電子設備結構設計中的重要部分。本文通過對某電子設備的熱分析及熱計算，進而對該雷達進行了總體熱設計理論校核分析，并通過高低溫及外場試驗進行了驗證。

【關鍵詞】熱設計;自然散熱;自然對流和熱輻射

1.前言

熱設計是電子設備設計的重要內容之一，是保證整機性能、提高整機可靠性的重要因素。本文為了保證某電子產品在指標要求的溫度下可靠的工作，根據其耗散功率，元器件集中程度，元器件溫升以及環境溫度要求、可靠性指標等進行分析，選擇合適的散熱手段。

2.散熱方式的選擇

本文研究對象的結構形式如圖1所示。

圖1 某電子設備的結構示意圖

其特征尺寸為：V=53×40×30=63600㎝3

則：體積熱流密度q（體積發熱系數）為：

q=P/V=280/63600=0.0044（W/㎝3）

圖2 體積發熱功率系數

圖3 行波管安裝示意

由圖2所示的各種冷卻方式的冷卻能力范圍看，該設備的熱流密度q為0.0044W/㎝3小于自然散熱方式的能力限值（0.009 W/㎝3），采用自然散熱的方式是可行的，為可靠起見，盡量采用金屬導熱的形式對主要發熱部件如行波管等進行冷卻，在結構設計中，鑄件艙體外增加了加強筋，在提高了整個鑄件剛度、強度的同時增大散熱面積;在行波管的安裝處設計了鋁合金導熱風道，安裝了風機，行波管緊貼風道安裝，涂導熱膏，風道緊貼艙體側壁安裝，均保證壓力在20㎏/㎝2左右，如圖3所示。這樣行波管散出的熱量通過鋁合金風道一部分傳導到艙壁，一部分被及時帶走，在艙體內部形成循環，使艙體內部溫度均勻，機箱內表面氧化成黑色，熱量通過金屬傳導到外表面，使艙壁各面均參與換熱，從而達到降溫的目的。

3.熱設計校核計算

該電子設備的總功率約為280W，其中主要發熱體為行波管，根據行波管的工作效率情況，我們按照其中80%的功率產生熱量來計算散熱。即需散去的熱量為：

Q總=280×80%=224W。

自然散熱的方式主要是通過兩種途徑，自然對流和熱輻射。

通過自然散熱散去的總熱量為：Q總=Qc+Qr

其中：Q c為自然對流散去的熱量;Qr為熱輻射散去的熱量。

機箱內允許達到的最高溫度為：+70℃;外界環境溫度取：+50℃

先計算自然對流散去的熱量Q c：

Q C=αSΔt ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?①

式中：α為對流放熱系數;S為表面積;Δt為機箱表面與外界環境的溫度差。

②

式中：為努謝爾特數;λ為導熱系數;L為特征尺寸。

根據自然對流換熱的通用準則方程：

③

式中：Ra=Gr·Pr為雷萊數;Gr為葛拉曉芙數;Pr為普朗特數;C為系數;n為指數（層流時取，紊流時）。

其中：Gr=;β為體積膨脹系數;v為運動粘度。

定性溫度為：

tm=（70+60）/2=60℃;

特征尺寸取側壁高：

L=0.3m;

β=;

查表得：

Pr=0.696;

λ=2.90×10-2W/m℃;

v=18.97×10-6m2/s

則：葛拉曉芙數：

Gr=

雷萊數：Ra= Pr·Gr=0.696×4.42×107=3.07×107<109

由此可知各側面屬于層流換熱;但在頂面上有2×107

圖4 加強散熱筋結構形式

現將各換熱面參數及可散去熱量根據查表及式①、式②、式③計算后列表如表1所示：

表1

由表1可得：通過自然對流散去的熱量QC為：

QC=36.12+16.93+7.21+29.68=89.94（W）

再計算熱輻射散去的熱量Q r：

Qr=5.67S

式中：S為表面積;T1為艙體表面溫度;T2為周圍環境溫度;ε為系統黑度系數（雷達外表面涂綠色防護漆：ε取0.9）。

S=0.426+0.284+0.284+0.35=1.344㎡

則：Qr=5.67×1.344×（3.434-3.234）×0.9=202.79W

通過自然散熱可散去的總能量為：

Q總=Qc+Qr

Q總=89.94+ 202.79=292.73W>224W

4.結論

通過以上校核計算可以看出通過自然散熱散去的熱量大于艙體產生的熱量，可見按其結構形式和功能參數在上述熱設計措施的條件下，采用自然散熱的熱設計是可以滿足該電子設備的環境和溫升要求。該設備在經過12小時連續試驗及高低溫循環實驗后設備工作正常;在外場試驗中，外界環境溫度45℃左右，連續工作8小時以上，設備工作正常，設備內部溫升滿足指標要求。

參考文獻

[1]趙惇殳等.電子設備結構設計原理（第一冊）[M].江蘇科學技術出版社，1986.