一種基于ASAAC標準的風冷機架的設計

陳旭

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

ASAAC 標準模塊是歐洲參照美國相關軍用標準開發的一種LRM模塊標準，已經廣泛運用于軍品和民用電子產品[1]。常用的電子設備冷卻方式有風冷、液冷等，對于一些熱流密度不高的場合，風冷仍是電子設備散熱中常用的散熱方式之一。另一方面，如何兼顧減重的同時，保證電子設備的力學強度，也是設計師需要考慮的重點問題。

1 機架的主要技術指標

采用風冷的散熱方式：總功耗≤ 970 W，并滿足散熱要求；總重量≤33.5 kg，并滿足力學要求。

2 機架的結構

2.1 機架的主要組成

機架在結構上主要由：風機罩、前蓋板、后蓋板、頂板、底板、盒體、左圍框、左側板、右側板組成。模塊總計18個，文中用模塊1～模塊18表示。另外，機架還包括1個母板、1個濾波器、1個電池、5個風機等，如圖1所示為機架爆炸圖。

頂板、底板，左、右側板、隔板和盒體為LRM提供起拔、鎖緊和傳熱通路的機械、環境接口；風機罩通過螺釘安裝在頂板和左圍框上，風機罩為中空結構，提供5個風機的安裝接口。并且提供外部把手結構，局部倒圓角處理，方便機箱的搬運；而頂板、底板、左、右側板、隔板以及盒體均采用螺釘連接，可以完全拆分；另外，頂板、底板和隔板局部設計通腔，與風機罩的開孔一并形成風道。

2.2 機架的模塊結構形式

機架LRM按照ASAAC封裝要求進行設計，截面尺寸為：233.4 mm×160 mm，厚度尺寸有24 mm、30 mm、20 mm共3個尺寸系列。

LRM模塊的結構形式包括結構件、連接器、鎖緊裝置及起拔裝置。模塊兩端肋片作為模塊在機架上安裝時的初步導向和模塊傳熱的作用。模塊盒體是承載模塊電氣功能單元的部件，有安裝、傳熱和電磁屏蔽等功能[2]。模塊鎖緊條用于實現模塊在機架上的緊固，同時提供模塊導向肋與機架構件之間的接觸壓力，滿足模塊向機架傳熱的要求。

3 機架的重量及輕量化設計

由于機架為機載設備，為了使用方便，從設計之初就考慮進行輕量化設計工作，即在不影響使用的情況下對機架進行減重設計。低頻機架的頂板、底板、風機罩、盒體、左圍框等結構件都采用防銹鋁5A06材料，并通過機加工工藝，將局部的厚度銑薄，零件局部厚度1 mm左右。減重后機架各組成部分的重量統計見表1所示，總重量滿足機架重量要求。

表1 機架各部分重量統計

4 散熱設計

機架中的主要熱源為9種共計18個模塊。機箱擬采用風冷進行散熱，使用五個某型號風機抽風散熱，模塊具體功耗見表2 。

根據裝機要求，機架采用自帶風機散熱方式。由設備頂部風機提供LRM冷卻介質，通過LRM之間的風道帶走熱量。

圖1 機架爆炸圖

表2 機架各模塊功耗

4.1 機架熱仿真

仿真計算的環境溫度為70 ℃，風機采用某型號直流無刷風機（額定電壓DC+28 V，轉速22 000 rpm，風量大于105 CFM），總共5臺風機。

經過仿真計算，低頻機架上溫度分布情況見圖2所示。

模塊間的風道流場分布如圖3所示，流動跡線如圖所示。從圖3可以看到，各風道的流速較為一致，且風道間的溫度均勻性較好，各風機均能有效地捕捉強迫空氣穿通流過模塊表面，從而實現了綜合機架的高效冷卻。

4.2 典型發熱模塊熱仿真

選取一種典型模塊發熱模塊（模塊15/模塊16）進行熱仿真分析，相關的仿真結果見圖4所示。

根據公式TJ（結溫）=Tc（殼溫）+Q（熱耗）×θJc（結殼熱阻）[3]，模塊的結溫分析如表3所示，所有主要器件的計算結溫均未超過許用結溫。

通過以上分析可知，機架中典型模塊的主要器件溫度均未超過其許用值，在給定工況下可正常工作。

5 力學仿真

5.1 試驗條件

功能振動試驗量值見圖 5曲線B。

圖2 機架溫度云圖分布

圖3 風道流場分布

圖4 模塊15/模塊16主要器件溫度分布情況

表3 模塊15/模塊16器件結溫分析

圖 5 功能振動試驗曲線

試驗方向為X軸、Y軸和Z軸；試驗時間（單軸向）為：按照5 Hz—2 000 Hz—5 Hz進行掃頻，一次循環為15 min，掃描3次，共45 min。

耐久試驗量值和試驗方向同功能試驗，試驗時將頻率范圍離散成多個單頻（具體取5～2 000 Hz之間共27個值），每個單頻率值對應不同試驗時間（具體為5～500 Hz對應試驗分別為24 min，其余頻率分別對應6 min）。試驗時間為單軸方向試驗時間，試驗時應分別在三個軸向進行試驗。若功能試驗時發現諧振頻率，用前三階諧振頻率代替以上所取的27個數值中相近的頻率值，試驗時間不變。

5.2 力學仿真

機架采用板狀零件螺裝拼裝形式，通過底部6個安裝孔用M6規格螺栓跟平臺連接。機架的模態分析結果見圖 6所示。

圖6 低頻機架模態振型圖

仿真分析結果表明，設備整體前6階模態主要表現為設備作為整體圍繞前后安裝點的晃動，以及內部電路板的局部變形。設備模態頻率見表4。

根據模態仿真結果對低頻機架進行正弦振動分析。激勵按圖 5所示振動量值，因為一階模態已超過54 Hz，正弦振動仿真時，從54 Hz開始到2 000 Hz進行計算。加速按3 g大小施加在六個約束點處。振動響應結果如圖 7。

表4 設備模態頻率

圖7 機架振動響應分析響應云圖

通過結構強度隨機振動仿真試驗分析可知，振動響應中，殼體和印制板上的應力均很小，可以避免在振動中出現破壞問題。設備的隨機振動響應結果標準差等效應力最大值為120.82 MPa，Z方向（安裝孔位置），最大位移為1.6 mm，Y方向（寬邊方向），設備最大等效應力標準差120.82 MPa小于防銹鋁270 MPa的強度極限，結構強度滿足要求。

6 結語

風冷冷卻的方式，可以有效解決一定功耗綜合化機架的散熱問題，本文通過設計和仿真，對基于ASAAC標準的風冷機架的散熱和力學強度進行了驗證。但穿通風冷這種散熱形式，并不適合高集成度高功耗的一些設備散熱，并且在一些密封性要求高的設備，也存在較多局限，有待進一步研究和提升。