機(jī)載風(fēng)冷機(jī)架高散熱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證*

嚴(yán) 倪，管志宏，劉正偉，張瀟然

（1. 海軍駐成都地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，四川 成都610036；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都610036）

引 言

在我國遠(yuǎn)洋戰(zhàn)略不斷發(fā)展的背景下，機(jī)載平臺(tái)中針對(duì)其設(shè)備的模塊化、集成化和標(biāo)準(zhǔn)化要求也在逐步提高[1]。機(jī)載設(shè)備通常采用液冷或風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱降溫[2]，而某機(jī)型由于受起飛最大重量的限制，采用了可以降低設(shè)備重量的風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱降溫，即使用風(fēng)冷機(jī)架設(shè)備。但是傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)架受工作原理和熱傳導(dǎo)路徑的影響，散熱效率不高，常常只能集成功率較低的模塊[3]。因此本文將對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善冷卻風(fēng)的流動(dòng)形式，以此提高風(fēng)冷機(jī)架的易散熱性，進(jìn)而提高機(jī)載設(shè)備的集成性和工作效率。

在機(jī)載設(shè)備與風(fēng)冷裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱性研究中，文獻(xiàn)[4]對(duì)某高熱流密度機(jī)載通信設(shè)備進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，以此提高設(shè)備工作時(shí)受熱量影響的可靠性；文獻(xiàn)[5]提出了一種在高溫環(huán)境下采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱的密閉機(jī)箱，通過讓氣流在中空蓋板內(nèi)流動(dòng)來提高發(fā)熱芯片與空氣的換熱速度；文獻(xiàn)[6]通過建立軸流式風(fēng)扇模塊、散熱器等流固耦合一體化的模型，利用空氣流場(chǎng)與溫度場(chǎng)相匹配的方法，對(duì)風(fēng)冷式電子機(jī)箱流固耦合傳熱特性進(jìn)行了特性分析和優(yōu)化。雖然風(fēng)冷散熱是機(jī)載設(shè)備常用的降溫方式之一[7]，但針對(duì)提高其散熱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究依然較少。隨著使用環(huán)境越來越多樣化和越來越惡劣，傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)架難以完全滿足機(jī)載設(shè)備的工作散熱要求，亟需對(duì)機(jī)載風(fēng)冷設(shè)備的散熱優(yōu)化進(jìn)行進(jìn)一步研究。本文設(shè)計(jì)了在上下冷板之間增設(shè)活動(dòng)風(fēng)冷隔板的新型風(fēng)冷機(jī)架結(jié)構(gòu)，使風(fēng)冷隔板與任意安裝位置處的現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊（Line Replaceable Module, LRM）直接接觸，對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的冷卻降溫，進(jìn)而提高機(jī)載設(shè)備的集成化程度，以此滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

1 風(fēng)冷機(jī)架工作原理

風(fēng)冷機(jī)架作為多項(xiàng)機(jī)載系統(tǒng)設(shè)備的重要組成部分，是通過風(fēng)機(jī)冷卻或以環(huán)控風(fēng)作為冷卻風(fēng)，由多個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)件及風(fēng)機(jī)組件（或飛機(jī)環(huán)控風(fēng)入口）組成的綜合性設(shè)備。風(fēng)冷機(jī)架一般對(duì)內(nèi)部模塊的熱耗有一定的上限限制，否則無法正常工作。不滿足要求的模塊目前主要通過2 種方式處理：移出機(jī)架，作為獨(dú)立模塊進(jìn)行單獨(dú)散熱；改變散熱方式，由風(fēng)冷改為液冷，以此提高單個(gè)模塊的散熱能力[8]。上述方式均有極大的局限性，都是以增加設(shè)備體積和重量為代價(jià)來解決問題。

本文主要針對(duì)傳導(dǎo)風(fēng)冷冷卻方式的模塊化綜合機(jī)架進(jìn)行研究。在此模塊化風(fēng)冷機(jī)架系統(tǒng)中采用LRM結(jié)構(gòu)，具有通用機(jī)械接口，滿足LRM 起拔裝置、鎖緊裝置等通用件的統(tǒng)一要求，滿足同一功能模塊的互換性要求，按功能可以將此風(fēng)冷機(jī)架分為模塊承載區(qū)域、背板承載區(qū)域和對(duì)外接口區(qū)域3 部分。其中，模塊承載區(qū)域?yàn)闄C(jī)架的核心區(qū)域，提供LRM 安裝空間、機(jī)械接口以及冷卻界面；背板承載區(qū)域用于安裝系統(tǒng)背板，提供LRM 之間、LRM 與機(jī)架之間的電器互聯(lián)；對(duì)外接口區(qū)域用于對(duì)外接口的設(shè)置和線纜集束安裝，如圖1 所示。

圖1 風(fēng)冷機(jī)架功能分區(qū)示意圖

風(fēng)冷機(jī)架通過風(fēng)機(jī)組件冷卻或以飛機(jī)內(nèi)的環(huán)控風(fēng)作為冷卻風(fēng)，使冷卻風(fēng)在機(jī)架冷板內(nèi)風(fēng)道之中流動(dòng)。模塊通過鎖緊條與冷板緊密接觸，通過散熱面和鎖緊條將工作產(chǎn)生的熱量傳遞至機(jī)架冷板，并由冷板中的冷卻風(fēng)將熱量帶走沉降，使設(shè)備冷卻降溫，避免溫度過高。模塊中的熱量傳導(dǎo)路徑如圖2 所示。

圖2 模塊熱傳導(dǎo)路徑示意圖

2 風(fēng)冷機(jī)架高散熱結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)布局

該高散熱性風(fēng)冷機(jī)架采取封閉式設(shè)計(jì)，活動(dòng)風(fēng)冷隔板安裝在主框架內(nèi)部。主框架為模塊承載區(qū)，是機(jī)架的核心構(gòu)件，在其上下冷板的內(nèi)部集成有風(fēng)道，LRM 模塊在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行裝載。活動(dòng)風(fēng)冷隔板為冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)處，裝載在主框架內(nèi)，與高熱耗模塊接觸，可根據(jù)實(shí)際需要增減數(shù)量或調(diào)整位置，如圖3 所示。

圖3 機(jī)架結(jié)構(gòu)布局示意圖

2.2 活動(dòng)風(fēng)冷隔板設(shè)計(jì)

為提高機(jī)架熱傳導(dǎo)效率，降低LRM 模塊溫度，在常規(guī)冷板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了活動(dòng)風(fēng)冷隔板。風(fēng)冷隔板內(nèi)部為風(fēng)道，采用下腔體與上蓋板焊接為整體的結(jié)構(gòu)形式，下腔體中包含大量一體化的散熱柱。風(fēng)冷隔板在主框架的安裝方式如圖3 所示。

活動(dòng)風(fēng)冷隔板通過前部通孔和后部螺釘孔與機(jī)架相連，與高熱耗模塊相鄰接觸安裝。高熱耗模塊及機(jī)架內(nèi)部裝配完成后，通過模塊肋條上的楔形鎖緊條的壓力，將模塊左側(cè)散熱板貼在風(fēng)冷隔板上。此結(jié)構(gòu)將極大地增加散熱接觸面積，縮短傳熱路徑，減少熱阻，將模塊內(nèi)部熱量及時(shí)導(dǎo)出。活動(dòng)風(fēng)冷隔板端口處設(shè)置為進(jìn)風(fēng)口，因此此處冷卻風(fēng)溫度最低。同時(shí)，風(fēng)冷隔板可根據(jù)高熱耗模塊位置靈活移動(dòng)安裝，使高熱耗模塊始終與風(fēng)冷隔板大面積接觸并處在進(jìn)風(fēng)口位置。

2.3 熱量傳導(dǎo)方式

活動(dòng)風(fēng)冷隔板改變了傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)架內(nèi)部的空氣流動(dòng)方式，使冷卻風(fēng)通過風(fēng)冷隔板進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，由風(fēng)冷機(jī)架兩邊冷板端口流出，熱量隨冷卻風(fēng)導(dǎo)出并沉降，熱量傳導(dǎo)路徑如圖4 所示。

圖4 熱量傳導(dǎo)路徑示意圖

根據(jù)機(jī)架散熱結(jié)構(gòu)，高熱耗模塊與活動(dòng)風(fēng)冷隔板直接接觸，主要向頂部導(dǎo)熱，因此在此類模塊的蓋板內(nèi)增設(shè)凸臺(tái)。同時(shí)，在凸臺(tái)頂部設(shè)置0.5 ～2 mm 不等的導(dǎo)熱襯墊，用于消除芯片與蓋板之間的接觸間隙，使芯片產(chǎn)生的熱量從蓋板路徑散出，縮短了熱通路徑，降低了擴(kuò)散熱阻。

3 實(shí)物制造與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 風(fēng)冷機(jī)架實(shí)物制造

在建模軟件UG 中對(duì)該高耐蝕機(jī)載風(fēng)冷機(jī)架進(jìn)行三維建模。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維模型，通過備料、銑加工、焊接、防護(hù)處理等加工工序，進(jìn)行實(shí)物制造與裝配，得到高散熱性風(fēng)冷機(jī)架的實(shí)際樣件，如圖5所示。

圖5 高散熱性機(jī)載風(fēng)冷機(jī)架實(shí)物圖

3.2 結(jié)構(gòu)熱測(cè)試試驗(yàn)

為驗(yàn)證研究?jī)?nèi)容的正確性，對(duì)風(fēng)冷機(jī)架開展了結(jié)構(gòu)熱測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6 所示。此實(shí)驗(yàn)使用假模塊焊接發(fā)熱電阻的方式替代發(fā)熱源模塊進(jìn)行操作，模擬2 種不同情況（活動(dòng)冷板與發(fā)熱模塊貼合和活動(dòng)冷板與發(fā)熱模塊分離）對(duì)風(fēng)冷機(jī)架的散熱降溫效果并進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

圖6 結(jié)構(gòu)熱測(cè)試試驗(yàn)示意圖

這2 種試驗(yàn)情況所采用的環(huán)境參數(shù)和供風(fēng)參數(shù)完全一致，見表1。測(cè)試后的溫度結(jié)果見表2。試驗(yàn)所用的設(shè)備包括發(fā)熱電阻片、T 分度熱電偶、Pt 電阻溫度傳感器、Agilent 交流電源、Agilent 數(shù)采儀、電腦、供風(fēng)系統(tǒng)等。

表1 試驗(yàn)中環(huán)境和供風(fēng)參數(shù)

表2 溫度測(cè)試結(jié)果 ?C

由試驗(yàn)結(jié)果可知，該風(fēng)冷機(jī)架可將高熱耗模塊內(nèi)部溫度有效降低9.5?C 左右。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)機(jī)載風(fēng)冷機(jī)架LRM 結(jié)構(gòu)存在的模塊溫度過高的問題，通過設(shè)計(jì)機(jī)架中活動(dòng)風(fēng)冷隔板結(jié)構(gòu)，改善了冷卻風(fēng)的流動(dòng)形式，縮短了LRM 模塊的傳熱路徑并減小了散熱熱阻，提高了模塊的散熱能力。對(duì)風(fēng)冷機(jī)架進(jìn)行實(shí)物樣件制造并開展結(jié)構(gòu)熱測(cè)試，所得結(jié)果證明了該研究的正確性和可行性。因此，該風(fēng)冷機(jī)架在不增加機(jī)載設(shè)備體積和重量的情況下，提高了內(nèi)部模塊的最大熱耗上限，可以集成并容納更大熱耗的模塊，增強(qiáng)了機(jī)載風(fēng)冷機(jī)架的集成性、可靠性和適應(yīng)性。