基于Icepak的吊艙環控熱設計與研究

于昊鉦,徐明軒,劉宏旭

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著機載吊艙的不斷發展,吊艙內部負載的數量增多,電子元器件的集成數量增大,吊艙體積趨于小型化,帶來的最大問題就是散熱。而高溫是電子器件最嚴重危害,會導致半導體自由電子運動加快,信號失真；除此之外,高溫還會造成電子器件壽命降低,性能下降,最終導致元件失效現象,如圖1所示為電子器件故障率與溫度的影響曲線[1]。研究表明:溫度增加10 ℃,穩定性就會降低50 %。對于軍品而言,要保證內部負載與外界隔離,避免潮濕、灰塵等進入內部,同時內部要充入保護性氣體,這就要求吊艙要構成密閉空間,這使得設備散熱變得困難。因此,對于密閉吊艙環控組件進行熱設計,將艙內負載上的芯片溫度控制在允許的范圍內是勢在必行的,并且采用結構設計與熱設計相結合的方式,提高系統的穩定性。

圖1 元器件故障率與節點溫度影響Fig.1 Influence of component failure rate and node temperature

2 散熱方案設計

2.1 熱源分析

吊艙內部主要熱源是熱像儀制冷機、信息處理板、可見光處理板及激光器,吊艙內部負載布局如圖2所示,由于是密閉孔空間且負載相對密集,因此產生溫升比較明顯,對于整個吊艙系統而言,這幾部分構成了主要的散熱源,其散熱路徑導向圖如圖3所示。由于氣密設備無法進行換氣散熱,所以吊艙內部的芯片工作溫度主要取決于以下幾點:

圖2 內部負載布局Fig.2 Internal layout

圖3 散熱路徑導向圖Fig.3 Heat dissipation path guide diagram

①如何快速將負載熱耗散到吊艙內部；

②如何快速將吊艙內部的熱量集中到環控組件上；

③如何提高環控組件對外散熱的能力。

2.2 散熱方式分析

目前大部分球形吊艙都是著重于對內部載荷各自散熱情況進行優化,對于整個系統的散熱考慮欠佳,有時會出現每個載荷在進行環境溫度試驗運行正常,但組成系統后長時間測試出現溫高而停止工作的現象。我們知道散熱方式主要包括熱傳導、對流、輻射換熱三個方式,芯片通過熱傳導將熱量傳遞到電路板上,熱量以對流和輻射的方式傳播到溫度較低的介質上,內部框架會相對于外殼轉動,因此無法通過與外殼熱傳導的方式進行散熱。

首先根據熱流密度[2]公式計算此吊艙的散熱方式:

(1)

式中,Qz為吊艙的總功耗,單位W；As為吊艙總的散熱面積,單位為cm2。經計算Qz為580 W;As為3996.12 cm2,吊艙的熱流密度為0.145 W/cm2,考慮到惡劣環境的工作狀態,環境溫度為55 ℃,芯片允許溫升為30 ℃,根據圖4散熱方式選擇圖,可以判斷散熱方式為強迫空氣冷卻。

圖4 散熱方式選擇圖Fig.4 Heat dissipation mode selection chart

依托此方式并結合散熱路徑導向圖進行分析如圖5所示。

圖5 散熱思路分析Fig.5 Analysis of heat dissipation ideas

載荷自身散熱屬于不可變量,為了加快吊艙內部熱量傳遞速度,采用強迫風冷的方式,使負載散發的熱量被環控組件快速吸收,并通過傳導方式把熱量迅速從吊艙內部傳遞到吊艙外部,此時熱量大部分會集中到吊艙外部的環控組件上,若對外部環境采用自然對流的方式,則無法快速將熱量進行交換,所以再次采用強迫風冷的方式,使外界空氣與環控組件強制熱交換,從而實現整體散熱,以上就是對環控組件設計的思路和方向。

除此之外,輻射傳熱也應當被考慮,輻射過程中的能量交換滿足斯蒂芬玻爾茲曼定律:

(2)

式中,Q為表面i和j之間輻射傳遞的熱量；εi為表面i的發射率；Bij為表面i、j之間的輻射交換系數；σ為玻爾茲曼常數,值為5.67×10-8W/(m2·K2)；Ti、Tj分別為i、j表面溫度。通過上式可知,若想增加輻射散熱能力,可以通過增加輻射表面積或者提高散熱表面的發射率的方式增強輻射散熱,而發射率的大小取決于器件表面的狀況,表面的粗糙度和氧化物會使得發射率發生較大變化,表1為不同材料的表處后發射率的情況。

表1 發射率對比表Tab.1 Emissivity comparison table

通過表1可知:表面刷漆的方式可以明顯增加發射率,其次是散熱器的材料選擇。依據此表可為后文散熱器結構設計時提供參考。

3 環控組件機械結構設計

根據上面的散熱設計思路,擬采用如圖6所示的結構:由主散熱盤、背部蓋板、前壓蓋和散熱風扇組成。外部風扇采用IP68級防水風扇,以應對各種惡劣環境。

主散熱板采用雙層設計。外層:對外界環境部分采用柱狀散熱針環形陣列,由圖6可以看出,散熱針在徑向方向并不在同一水平線上,此方式是通過破壞固體表面的層流邊界層,增加紊流度。據研究表明,兩個散熱面積相同的交錯針狀散熱器和翅片散熱器,針狀散熱器[3]的換熱量可增加30 %左右。散熱針中間安裝風扇,吹向散熱板加速對流,最外面安裝前部壓蓋,形成空氣場,故外面的風扇安裝方向確定為吹向散熱針。

圖6 環控組件結構圖Fig.6 Structural drawing of environmental control assembly

內層:如圖6所示,在散熱板邊緣處陣列環形凸起,中間安裝散熱風扇,背部蓋板壓在凸起上,熱空氣被迫沿著通風孔進入內部,并從四周散去,利用風扇將熱量傳遞到主散熱板上。

對于環控組件機械結構加工時,考慮材料強度和制造成本,采用7075鋁板并采用黑色氧化的方式,最大限度增加輻射的發射率。

散熱風扇的安裝方向及數量利用普通計算很難預測空氣運動方式,再加上內部負載密集、空間有限,最大限度的根據增強對流傳導方式增加系統散熱。針對風扇數量及方向提出兩種技術路線如圖7所示。

圖7 散熱技術路線圖Fig.7 Heat dissipation technology roadmap

(1)風扇數量:內部安裝尺寸較大風扇,風壓為56cfm,或安裝4個小風扇,其風壓之和與大風扇一致(便于對比效果)。

(2)風扇方向

①4個風扇全部向散熱板吹風；

②4個風扇全部向吊艙內部吹風；

③兩組向散熱板吹風,其余向吊艙吹風。

通過Icepak熱仿真軟件,對上述方案逐個進行分析,找到最佳的散熱方式。

4 環控組件Icepak仿真分析

4.1 計算模型前處理

將吊艙模型簡化處理后導入到AnsysIcepak軟件中,仿真環境計算域設置為1080 mm×1080 mm× 1800 mm,需要考慮整個吊艙外殼與空氣同樣存在對流與輻射,因此將計算域6個面設置為opening；添加風扇模型,將風扇流量-壓力曲線添加到參數中；將電路板及芯片的熱耗賦值到模型上,此外,制冷型紅外熱像儀的制冷機同樣會發熱,利用block模型替代制冷機對環境散熱,將block設置為恒溫60 ℃；為了更加貼近實際工況,在求解器中需要將重力因素考慮到整個系統散熱中,自動計算雷諾數后推薦采用零方程湍流模型；對于密閉式環境輻射換熱及發熱元件與周圍空氣對流散熱是不可忽略的。將計算域的環境溫度設置為55 ℃,模擬高溫環境,對模型采用多級網格劃分[4],網格方法為Meshed-HD,數量為1925634個,網格劃分參數及質量評價如圖8所示。

圖8 吊艙的網格劃分Fig.8 Mesh division of pod

4.2 仿真結果

(1)當吊艙內部僅靠自然對流與輻射換熱的方式(無風扇)。如圖9所示仿真結果表明,部分芯片的最高溫度達到了98.25 ℃,已經超過芯片穩定運行的工作溫度,雖然小于芯片的極限工作溫度,但是對于整個系統而言穩定性下降、可靠性降低,此方式被排除。

圖9 無風扇的仿真結果Fig.9 Simulation results without fan

(2)內部采用單風扇風向為吹向散熱板。仿真結果如圖10所示,發熱量最高元件的表面溫度為86.5 ℃,相比于僅靠自然對流及輻射換熱的方式,同樣有效降低了溫度,是一個可行的方案,若風扇方向為吹向吊艙內部,則無法將熱量集中在散熱板上,故單風扇吹向吊艙內部的方式直接排除,同理4個風扇同時吹向吊艙內部也可以排除。接下來對4風扇不同吹風方式進行仿真,分析查看散熱效果。

圖10 內部采用單風扇Fig.10 A single fan is used inside

(3)內部采用4風扇,方向全部為吹向散熱板,仿真結果如圖11所示,在吊艙內部,氣流粒子形成了內循環,源源不斷地將熱空氣吹向主散熱板,發熱量最高元件的表面溫度為82.92℃,小于芯片穩定工作的極限溫度。

圖11 四風扇吹向散熱板的仿真結果Fig.11 Simulation results of four fans blowing to the cooling plate

(4)內部采用4風扇,方向為兩組向散熱板吹風,其余兩組向吊艙內吹風,仿真結果如圖12所示,芯片的最高溫度為92.46 ℃,溫度反而升高了,分析原因是散熱板的高溫通過風扇反向又吹到了吊艙內部,使得芯片周圍的環境空氣溫度升高,影響了系統的散熱,此散熱方式被排除。

圖12 內部任意兩組風扇相反方向吹風Fig.12 Any two groups of fans inside blow air in opposite directions

通過以上的仿真分析最終采用內部四風扇向散熱板吹風,外部風扇向針狀散熱盤吹風的方式散熱。此環控組件安裝在吊艙的后部,盡可能的占用最小的內部負載空間,同時能夠發揮散熱的最大效果。

5 結 論

以某機載吊艙為例,通過對吊艙內負載散熱情況進行分析,并結合Icepak熱仿真軟件完成密閉環境下的環控組件設計,針對風扇方向與風扇數量兩種思路共6種方案仿真分析,最終確定了外部采用吹向針狀散主熱盤的方式,內部采用4風扇同樣吹向主散熱盤,通過內外強迫風冷的方式優化負載電路板的芯片溫度,在環境溫度為55 ℃的情況下,內部負載芯片的穩態溫度保持在83℃,滿足工作要求。后續通過實際的環境實驗來驗證仿真的準確性,對仿真過程進行優化,以便得到更有效的仿真手段,最后希望通過本文的研究與分析可以為以后的吊艙散熱方式提供設計思路。