某功放設(shè)備高溫低氣壓工作瞬態(tài)仿真、分析及優(yōu)化?

劉冠宏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）

1 引言

現(xiàn)代裝備有嚴(yán)格的環(huán)境適應(yīng)性要求。軍用機(jī)載設(shè)備要滿足國軍標(biāo)或加裝平臺關(guān)于設(shè)備在高溫低氣壓（溫度-高度）環(huán)境下工作的試驗要求［1］。其中，設(shè)備在較為極限的高溫和低氣壓環(huán)境下工作時，要求其工作時間較短。

高溫和低氣壓的環(huán)境會使設(shè)備散熱困難，造成設(shè)備溫度過高。而設(shè)備內(nèi)部器件結(jié)溫增高到一定程度，會對設(shè)備安全工作形成威脅，甚至造成永久性損壞［2～3］。故為了防止設(shè)備的熱失效，需要在設(shè)計階段對設(shè)備的高溫低氣壓工作狀態(tài)進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計［4］。由于設(shè)備工作時間較短，設(shè)備的溫度還沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)，故需要做溫度基于時間變化的瞬態(tài)分析來對設(shè)備內(nèi)器件的溫度進(jìn)行計算。

由于改變了設(shè)備的傳熱面積，改變散熱齒的高度、數(shù)量、間距等會對設(shè)備的散熱產(chǎn)生影響，尤其會影響設(shè)備的穩(wěn)態(tài)溫度［5］。劉華等指出使用導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)無法評估材料傳熱的瞬態(tài)特性。提出了用導(dǎo)熱系數(shù)和對應(yīng)于材料應(yīng)用實踐的傅里葉函數(shù)作為材料瞬態(tài)性能的評估參數(shù)［6］。呂召會通過熱容量來計算設(shè)備的瞬態(tài)熱傳遞過程［7］，他沒有考慮設(shè)備與環(huán)境的熱傳遞也是與時間相關(guān)的函數(shù)。

設(shè)備達(dá)到穩(wěn)態(tài)的速度和時間除了設(shè)備材料本身的參數(shù)外，還會受到設(shè)備傳熱面的表面積和體積或質(zhì)量（溫度一定，密度為定值）的影響。文中會通過分析得出設(shè)備的瞬態(tài)傳熱速度受其影響的具體關(guān)系式。

文中以一個由于設(shè)備升級，需要更換大功率器件的功放設(shè)備為例。按照平臺總體要求的高溫低氣壓試驗條件對其進(jìn)行了瞬態(tài)仿真，并在不增加結(jié)構(gòu)總尺寸的前提下對其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化、分析。

2 功放設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及試驗要求

2.1 功放設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

所選功放設(shè)備主要由盒體，功率放大器，電源模塊，小蓋板，蓋板和大蓋板組成，其外形及組成如圖1、圖2所示。

圖1 功放設(shè)備外形示意圖

圖2 功放設(shè)備組成圖

其中，功率放大器和電源模塊由鋁基板和位于其上的電子器件組成。其主要的發(fā)熱器件分布如圖3所示。

圖3 功放設(shè)備主要熱源分布圖

其中，電源1，電源2，功率管1，功率管2，功率管3為器件代號。

模塊安裝到盒體中時，接觸面涂滿散熱脂。發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量通過鋁基板傳導(dǎo)到盒體中間的鋁板上，進(jìn)而通過散熱齒傳導(dǎo)到空氣中。

2.2 功放設(shè)備的低溫試驗要求

該功放設(shè)備應(yīng)用于某戰(zhàn)斗機(jī)平臺。平臺總體對應(yīng)不同的海拔高度和高溫試驗條件，對各上裝設(shè)備的工作時間做出了要求。

文中分析選取較為嚴(yán)苛的85℃，15000m海拔下工作5min的試驗條件對設(shè)備進(jìn)行分析。

其試驗步驟如下。

1）將受試設(shè)備放入試驗箱；

2）在設(shè)備不加電的情況下，將試驗箱內(nèi)溫度升至85℃；

3）待箱內(nèi)受試設(shè)備溫度穩(wěn)定后，將箱內(nèi)壓力調(diào)節(jié)至15000m高度對應(yīng)的壓力；

4）將設(shè)備通電，持續(xù)5min，期間檢測其性能，確定是否滿足工作要求。

根據(jù)以往對同類設(shè)備的熱測試經(jīng)驗，對于自然散熱機(jī)箱，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)的工作時間一般為30min～2h。故設(shè)備溫度并未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，需要對其溫度進(jìn)行瞬態(tài)分析。

3 瞬態(tài)仿真分析

Icepak是Fluent公司推出的專業(yè)的熱分析軟件。它以有限體積法作為求解器，具有強(qiáng)大的后處理功能。它可以模擬真實的溫度場，其精度較高，計算速度較快［8～9］。

文中選用該軟件對功放設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)仿真。

使用Workbench的Geometry模塊打開模型并簡化，如圖4所示。

圖4 workbench中的簡化模型

打開Icepak，設(shè)置環(huán)境溫度為85℃，海拔高度為15000m；進(jìn)入Transient setup面板，設(shè)置求解的時間范圍為0～300s，求解步長為2s；對設(shè)備的材料等進(jìn)行設(shè)置。

功放內(nèi)各熱源的熱耗如表1所示。

表1 功放設(shè)備內(nèi)部器件熱耗

各器件在時域的函數(shù)表達(dá)式為一常數(shù)，將這些激勵賦值給各個器件，并在各器件處設(shè)立監(jiān)測點。

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對有熱源和散熱齒的部分設(shè)置較小的網(wǎng)格，其余網(wǎng)格設(shè)置較粗。本次仿真網(wǎng)格數(shù)量劃分?jǐn)?shù)量為200萬個，仿真時長大概為2h。

仿真得到溫度隨著時間的變化曲線如圖5所示。

圖5 85℃，15000m工作時溫度隨時間的變化曲線

此時各器件的溫度尚有上升趨勢，明顯未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。各器件在300s時達(dá)到的溫度為整個工作過程中的最高溫度。各器件最高溫度如表2所示。

表2 器件最高溫度

其中，電源器件溫度均滿足其正常工作條件。功率放大器上的功率管3溫度最高，而功率管1熱耗較大，均需要做考量。

器件功率管1的結(jié)溫計算如下：

器件功率管3的結(jié)溫計算如下：

其中Rjc為功率管結(jié)殼熱阻，Pdiss為器件熱耗。設(shè)備所選功率管正常工作的結(jié)溫閾值均0為150℃。

可以得知器件功放管1的結(jié)溫超過了閾值。故需要對其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

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4 功放設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 瞬態(tài)散熱理論分析

熱分析是通過建立散熱模型，求解熱平衡方程，來獲得穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)的溫度場［10～11］。

建立一個瞬態(tài)傳熱的模型如圖6所示。一個長方體導(dǎo)熱物體，體積為V，假設(shè)其三面持續(xù)產(chǎn)生熱量，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Φ，為一個常數(shù)。其余的面與空氣對流散熱，傳熱面積為A，對流換熱系數(shù)為h，空氣的溫度為t∞。

圖6 瞬態(tài)散熱示意圖

由于能量守恒，單位時間內(nèi)物體熱力學(xué)能的變化量應(yīng)該等于物體單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量和其表面與流體之間的換熱量之差，即：

此為一階微分方程，可以得到其解為

其中，C為常數(shù)項。代入初始值，當(dāng)τ=0時，θ=0，可以得到：

求這個解函數(shù)的導(dǎo)數(shù)，其意義為導(dǎo)熱體的溫度隨時間變化率，即為其瞬態(tài)傳熱速度。

若使設(shè)備在高溫低氣壓試驗條件下具有較好的熱性能，要求設(shè)備工作5min時的溫升較低，即需要設(shè)備的瞬態(tài)傳熱速度較低。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

設(shè)備散熱面散熱齒分布如圖7所示。

圖7 散熱齒分布示意圖

從散熱齒底部到空氣的傳熱過程符合4.1所述推導(dǎo)過程。將散熱齒面各結(jié)構(gòu)參數(shù)代入瞬態(tài)傳熱速度的關(guān)系式，可以得到：

本型功放設(shè)備D=194mm，δ=2mm。改進(jìn)研制后，由于新的功率放大器厚度較小，其所在的腔體在厚度方向上可以壓縮5mm。由此，散熱齒的高度可以增高。本文考慮通過對散熱齒的間距L和高度H進(jìn)行改變來優(yōu)化設(shè)備的散熱性能。

取鋁合金材料的密度為2750kg/m3，比熱容為896J/（kg·℃），代入公式，可以得到其瞬態(tài)傳熱速度與H，L，τ的關(guān)系式。

用 Matlab 繪制出 t=50s，t=100s，t=200s，t=300s時，單位自發(fā)熱功率下設(shè)備散熱面的瞬態(tài)傳熱速度隨H和L的變化曲線，如圖8所示。

圖8 各時刻下瞬態(tài)傳熱速度隨H，L的變化曲線

通過圖片可以直觀的觀察到當(dāng)H增大或L減小時瞬態(tài)傳熱速度會降低。當(dāng)H值取最大，L值取最小時，設(shè)備散熱面的瞬態(tài)傳熱速度在各時刻都是最小的。

分別選取H=20mm，L=4mm；H=25mm，L=4mm；H=25mm，L=3mm；H=25mm，L=2mm；H=25mm，L=1mm四種優(yōu)化方案做一個對比分析。

由于各方案發(fā)熱器件到散熱齒底面的傳熱路徑完全相同，其內(nèi)部器件發(fā)熱功率等效到散熱齒底面的自發(fā)熱功率也相同。代入瞬態(tài)傳熱速度的關(guān)系式，得到各方案單位自發(fā)熱功率下的瞬態(tài)傳熱速率隨時間變化曲線如圖9所示。

圖9 瞬態(tài)傳熱速度隨時間變化曲線

如圖9所示，與前述推導(dǎo)相符合，當(dāng)H=25mm，L=1mm時，設(shè)備散熱面的瞬態(tài)傳熱速率最低，即高溫低氣壓試驗條件下的熱性能最好。

4.3 仿真驗證

使用Icepak軟件分別對四種優(yōu)化方案進(jìn)行了熱仿真，分別在其內(nèi)部發(fā)熱器件處增加監(jiān)視點，設(shè)置求解時間范圍為300s，求解步長為2s。網(wǎng)格數(shù)目均控制在200萬左右進(jìn)行仿真。得到其仿真結(jié)果如表3、表4、表5、表6所示。

表3 齒間距4mm時各器件最高溫度

表4 齒間距3mm時器件最高溫度

表5 齒間距2mm時器件最高溫度

表6 齒間距1mm時器件最高溫度

通過對比數(shù)據(jù)可以得知，結(jié)果與理論分析相同。

可見，對于該功放設(shè)備，增高散熱齒高度和減小散熱齒的間距都可以降低其瞬態(tài)傳熱速度，進(jìn)而使得在短時間內(nèi)，設(shè)備溫度不至于過熱影響工作。

綜合考慮減重和加工難度，本設(shè)備最后取了次優(yōu)解，即H=25mm，L=2mm的方案。

此時，器件“功放1”的結(jié)溫如下

器件“功放3”的結(jié)溫如下

各器件可以正常工作。

5 結(jié)語

具有高溫低氣壓（溫度-高度）試驗條件的設(shè)備，需要通過基于時間域的瞬態(tài)熱仿真來分析其在該條件下工作時的內(nèi)部器件溫度。本文對某型功放設(shè)備的瞬態(tài)傳熱進(jìn)行了理論分析，得出了其瞬態(tài)傳熱速度受設(shè)備散熱面各結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系式，并以此為依據(jù)對其進(jìn)行了散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。該分析方法除了可以應(yīng)用于自然散熱機(jī)箱外，還可以拓展到風(fēng)冷及液冷機(jī)箱。

文中的分析方法和分析結(jié)果可以為同樣有瞬態(tài)熱設(shè)計需求的電子設(shè)備改型和機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計、優(yōu)化提供參考。