某密閉機箱結構設計與熱仿真分析

田 野，劉劍超，朱學凱

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所， 江蘇揚州 225001）

0 引言

雷達模擬器是一種對目標的電磁反射特性進行模擬的設備，一般包括模擬器天線、天線支架、模擬器信號生成機箱組成，由于其使用環境的特殊性，一般位于野外操作，對包含的設備有一定使用要求，如質量輕、體積小、方便攜帶、外形美觀、防雨、防塵。在此環境要求下的模擬器機箱要求體積小、質輕、單人可攜帶，同時又要滿足防水、防塵條件下的熱設計指標，給結構設計和熱設計帶來一定的難度。因為防水、防塵的需要，機箱必須做密閉處理，而密閉與散熱又是一對矛盾體，在設計時需要同時考慮內部和外部相結合的兩種熱設計方案，使機箱內部微波器件的熱量能夠高效的傳導至機箱外部，從而保證機箱內部器件正常工作[1]。

任恒等[2]提出了一種強制風冷密閉插箱，解決總熱耗約為500 W，印制板卡插箱散熱問題，其在箱體內部布置風道，插件外表面加裝散熱器，但其并非真正意義的密閉，只是防塵密閉，不能用于戶外淋雨環境。

陳登瑞等[3]提出一種總熱量為120 W的密閉機箱，其在箱體兩側壁設計夾層板中間布置翅片形成風道，機箱尾部布置風機，發熱器件也為印制板卡，通過連接的結構件將熱量傳導至側壁散熱翅片，通過風機強制風冷將熱量帶走，文中解決了機箱密閉的問題，但是熱量幾乎平均分配在各個印制板上，熱流密度相對較小，溫升30 ℃達到熱平衡。整個機箱整體釬焊成型，剛度較好，但是重量較重，不符合輕便設計的理念。

本文設計了一種密閉形式的模擬器機箱，初步確定一種自然散熱、均溫板散熱、外部強制風冷散熱的組合散熱方案。在保證質量輕、體積小、方便攜帶、外形美觀、防雨、防塵的同時實現設備的散熱設計要求。

1 整機設計

1.1 結構布局

根據設備總體研制要求，結合機箱內部器件尺寸和安裝空間，確定機箱的基本外形尺寸為380 mm×160 mm×280 mm，模擬器機箱由箱體，前、后蓋板，均溫散熱板，散熱風機，把手等組成，箱體內部包含6 個微波模塊、1 個電源、1 塊印制板、若干連接器和開關。機箱總重質量約為6.5 kg，整機總質量約為12 kg。

機箱箱體采用鋁合金材料加工而成，陳登瑞等[3]提出機箱采用整體釬焊成型，釬焊成型適用于結構復雜、不易機加工成型的部件，本文中箱體上下直通，適用于直接機加工成型，雖然犧牲了部分工時和物料，但省去了釬焊復雜的工序流程，避免加工后的變形，可以保證后續的密封設計。6 個微波模塊安裝在箱體的側壁和后蓋板上，1個電源和若干連接器安裝在前面板，印制板散熱板安裝在機箱左邊，風機支架、風機、風機蓋板依次與之安裝。機箱的結構布局形式如圖1～2所示。

圖1 機箱整體結構

圖2 機箱內部布局

1.2 密封設計

密閉加固機箱由于具有良好的抗震動沖擊性能、三防性能和電磁兼容性能而通常應用在機載、星載和野外等嚴酷的環境條件下[4]。本文所設計的機箱使用環境為露天野外環境，按照設計要求需要具備防雨、防塵、防沙的密閉要求，因此機箱前、后蓋板，印制板散熱板與機箱之間采用密封繩密封，器件的各個安裝孔設計為盲孔，風機選用防水式風機，接插件選用防水接插件，并在安裝法蘭處加裝橡膠密封墊。

因為密封的要求，本文打破了傳統的風機給內部機箱循環送風的制冷形式，機箱的框架和前后蓋板、印制板散熱板已經形成一個密閉的腔體，風機只是單獨給發熱量最大的印制板翅片散熱。

1.3 冷卻方式選擇

因為箱體密閉性要求，初步考慮選擇自然散熱冷卻方式。如表1所示，整個機箱的熱耗合計121.4 W，其中微波器件和電源的熱量分布在器件底部，印制板熱量分布在各個芯片表面，穩態下機箱表面的熱流密度按照公式φ=Q/A計算得到[5]，其中：Q為機箱內部總的發熱量；A為機箱散熱表面積；機箱使用環境的極限溫度為50 ℃；內部器件耐溫取值85 ℃。在40 ℃的溫升條件下計算φ=Q/A=121.4 W/8812 cm2=0.014 W/cm2，由圖3 可知，該熱流密度處在自然對流散熱閾值范圍內，但是經過初步的仿真計算得到印制板芯片表面溫度超過85 ℃，說明該種散熱方式不能滿足機箱的使用條件。分析原因，印制板表面熱量較為集中，計算時將其中熱量均分給整個機箱散熱，降低了整機的熱流密度，而實際傳導過程中，印制板散熱器不可能將熱量迅速傳導給整個機箱，故需將印制板散熱與其他器件散熱單獨計算。

表1 機箱內部發熱器件及熱耗

箱體上內部微波器件和電源穩態下熱流密度：

印制板散熱板熱流密度:

其中，A1為箱體外部除去印制板散熱板的散熱總面積，A2為印制板散熱板的散熱總面積。機箱內部微波器件和電源的總熱耗Q1=55 W，印制板的總熱耗為Q2=66.4 W。

印制板上的熱耗分布在各個芯片上，圖3 所示為印制板散熱器上散熱凸臺加載的熱耗值。圖4所示為設備允許溫升和熱流密度確定冷卻方式的選擇圖[6]，從計算結果和圖3可知熱流密度為φ1的散熱方式小于自然散熱的閾值；在極限35 ℃溫升條件下，熱流密度為φ2散熱方式介于自然冷卻和強迫空氣冷卻之間，因此在印制板散熱器冷卻方式選擇為強迫風冷散熱，設計時在散熱翅片外面加裝散熱風機形成空氣的強制對流換熱。另外還將印制板散熱器內部設計成均溫板結構形式，進一步提高熱傳導效率。

圖3 印制板散熱板熱量分布

圖4 常見冷卻方式的熱流密度與溫升

綜上，該機箱的冷卻方式確定為一種自然散熱、均溫板導熱、外部強制風冷散熱的組合散熱方案，然后通過仿真計算驗證該方案是否可行。

1.4 散熱齒設計

機箱內部器件都布置在內表面貼壁安裝，整個機箱外表面都可作為散熱齒布置區域，由于機箱壁厚限制，取散熱齒高度為7 mm，寬度為2 mm，間距為5 mm。印制板散熱板采用內嵌式設計，外部再加裝風機，盡量減少側邊突出距離，增加機箱整體的設計美感。裝配完整后，風機采用抽風式工作，風由印制板散熱板外側的四周流經散熱板外表面，達到冷卻的效果。如圖5所示。

圖5 散熱齒設計

1.5 風機選型

一般來講，風機能提供的最大風量越大，對流就越強，散熱效果就越好，但同時結構尺寸就越大，產生的噪聲也越大。根據設備環境使用要求，取環境試驗中最高使用溫度50 ℃，進出風口5 ℃的溫差。60 ℃時空氣特征參數：空氣密度ρ=1.06 kg/m3；空氣動力黏度ν=18.97×10-6m2/s；空氣比熱容Cp=1005 J/（kg·℃）。

根據熱力學平衡方程，計算得到總風量：

式中：Q為印制板的發熱量；Δt為進出風口溫差。

綜合考慮結構安裝尺寸，電源輸入功率等因素，選擇型號為型號為San Ace 9WP0812H401 風機，其輸入電壓為12 V直流，輸入功率為1.56 W，額定轉速2900 r/min，最大風量為1.03 m3/min即61.8 m3/h，最大風壓為35.3 Pa，其風量-風壓關系曲線如圖6所示，采用抽風形式。該風機為防水型風機能夠滿足露天淋雨的使用條件，如圖7所示。

圖6 風機風量-風壓關系

圖7 仿真風機

2 熱仿真分析

2.1 模型簡化

熱仿真分析與計算采用FloEFD（NX10.0）進行計算分析。在不影響仿真結果準確性的前提下，對機箱模型進行簡化[7]。簡化原則如下：

（1）由于機箱密閉，忽略內部對流換熱和輻射換熱；

（2）忽略內部散熱量較小微波器件的特殊外形，簡化為立方體，忽略安裝螺釘等緊固件，并將整體的熱耗均勻分布在接觸面；

（3）忽略內部幾何形狀較小且幾乎無熱耗的濾波器和開關等；

（4）忽略前面板上布置的接插件、指示燈、開關等對熱分析無影響的器件；

（5）將風機按照選型的風機的風量和風壓值簡化處理。

2.2 邊界條件設定

外部環境極限溫度：50 ℃。

器件上限溫度：印制板芯片表面85 ℃，微波器件表面105℃。

界面填充介質：印制板芯片與印制板散熱器之間導熱襯墊厚度取0.1 mm，導熱系數10 W/（m·K）；其他微波器件與箱體之間涂覆導熱硅脂，導熱系數取5 W/（m·K）。

材料：箱體整體均為5A05 型鋁合金，密度為2700 kg/m3，導熱系數為209 W/（m·K），比熱容為896 J/kg·℃，印制板散熱板導熱系數為1000 W/（m·K）。

空氣比熱容為1005896 J/（kg·℃），空氣密度為1.06 kg/m3。

2.3 網格劃分

高質量的網格劃分對CAE 工程師來說，是一項繁重費時的工作。實踐證明，自動剖分的網格只要足夠細密，也可以達到較高的分析精度，但采用過細的網格劃分針對整機進行分析時將面臨計算機硬件資源上的障礙。所以在整機集成分析階段最好采用高質量的六面體單元或規則的板殼單元進行手動與自動相結合的網格劃分方法。應用FloEFD軟件自帶的網格劃分功能，印制板散熱器和印制板芯片區域由于熱量比較集中，特征較多，散熱齒排列較密，采用局部網格細化。

設置軟件的初始網格級別為3級，最小縫隙尺寸為1 mm，均勻分布網格，計算得到總網格數為327413，流體網格數為1364917，固體網格數為1909296，熱接觸流體網格數為1080860，網格模型如圖8所示。

圖8 機箱網格

2.4 結果分析

如圖9所示，機箱表面的最高溫度為81.72 ℃，低于許用溫度105 ℃；如圖10 所示，印制板上芯片表面的最高溫度為76.25 ℃，低于許用溫度85 ℃，印制板散熱板均溫性約為7 ℃。

圖9 機箱溫度云圖

圖10 印制板散熱板表面溫度云圖

3 結束語

本文以某型雷達模擬器實際設計需求為依托，對模擬器機箱進行結構設計和熱設計，在保證機箱密閉性的同時，實現了內部器件的散熱需求，尤其是較大熱耗的印制板芯片正常工作。通過熱仿真軟件仿真分析對結構的散熱性能進行分析驗證，可以驗證設計正確。產品生產完成后，又對機箱進行了GJB 150A中相關的高低溫試驗、淋雨試驗、振動試驗及沖擊試驗[8]，該機箱均通過上述試驗，說明產品性能符合設計要求。本次設計過程可以為后續同類型模擬器機箱的設計提供參考和借鑒。