雷達電子設備通風口結構對風機性能的影響*

劉 巍，張先鋒，關宏山

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

雷達電子設備通風口結構對風機性能的影響*

劉 巍，張先鋒，關宏山

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中以某機載雷達電子設備機箱為研究對象，采用Icepak熱仿真軟件，研究了通風口的面積和長寬比的變化對機箱內(nèi)強迫風冷散熱系統(tǒng)性能的影響。結果表明：在風機型號和機箱內(nèi)部結構一定時，相比于風機的總通風面積，當通風口的面積過小時，風機的性能較差；隨著通風口面積的增加，風機的風量增加，風阻降低；當通風口的面積接近或大于風機的總通風面積時，風機風量較大，再繼續(xù)增加通風口面積，風機的風量沒有明顯增加；當通風口長寬比過小時，風機的風量會降低，風阻會增加；當通風口的開口結構與風機的排布方式一致時，風機的性能最佳。

機載雷達；強迫風冷；通風口；熱設計

引 言

直升機、無人機等輕型載機具有承載能力小、續(xù)航時間短等特點，以其作為雷達的載機，安裝空間非常有限，同時機載雷達的工作環(huán)境惡劣，所以機載雷達要具備結構緊湊、重量輕、抗震動和沖擊性能好、分辨率高、抗干擾能力強等特點，這就需要雷達電子設備的集成度高、功耗大。機載雷達在體積、重量以及耗電量方面都受到嚴格限制，再加上它工作在嚴酷的熱環(huán)境和力學環(huán)境之下，因而對熱設計和結構設計都提出了更高的要求[1]。

相比于自然冷卻方式，強迫風冷具備散熱能力強、結構可靠、體積小、重量輕等諸多優(yōu)勢，而相比于液冷散熱方式，強迫風冷的冷卻介質容易獲得，所以強迫風冷仍然是輕型機載雷達電子設備主要的散熱方式之一。電子設備強迫風冷系統(tǒng)設計的依據(jù)是在額定的耗散功率下，力求使用最小的驅動功率，使元器件溫度低于允許的安全工作溫度，以確保電子器件的壽命。強迫風冷系統(tǒng)主要由機箱、風機和散熱器等部件組成。在電子設備機箱的整體布局確定之后，受雷達結構和重量的制約，給風機選型所預留的尺寸和功耗以及散熱器的結構尺寸幾乎沒有可變的余量。此時，使風機的效率最大化，是提高風冷系統(tǒng)散熱能力的有效途徑，而通風口的結構會直接影響風機的效率。機載雷達的工作環(huán)境惡劣，通風口需要防鹽霧和沙塵，而且通風口所在面板上還有電訊接插件的安裝需求，因此通風口的尺寸設計同樣受到諸多限制。此時，針對風冷系統(tǒng)的通風口進行優(yōu)化設計，對優(yōu)化機箱的結構布局和提高散熱性能均具有重要意義[2]。本文利用熱仿真方法，通過對某型無人機機載雷達天線陣面的通風口進行熱優(yōu)化設計，研究通風口的開口面積及長寬比對風機風量的影響，為電子設備機箱的熱設計提供參考。

1 機載雷達天線熱設計

天線陣面的整體外形圖如圖1和圖2所示。T/R組件、陣面電源等主要發(fā)熱器件安裝在機箱內(nèi)部，機箱的尺寸為680 mm × 260 mm × 60 mm，機箱內(nèi)T/R組件的熱耗為216 W，陣面電源的熱耗為90 W，其他元器件的熱耗為30 W，總熱耗為336 W。為了滿足散熱需求，受機箱結構和空間的制約，強迫風冷系統(tǒng)中共采用了9個EBM直流風機。如圖1所示，9個風機等間距地排列在安裝面板上，邊緣的風機與邊框的距離為30 mm，風機型號為412JHH，單個風機重50 g，風機的外形尺寸為40 mm × 40 mm × 25 mm。如圖2所示，通風口位于與風機安裝面平行的機箱面板上，受機箱結構的限制，通風口的長度不能超過640 mm。

圖1 天線陣面的外形結構圖

圖2 通風口的結構圖

圖3為機箱內(nèi)風冷散熱系統(tǒng)的原理圖。T/R組件和電源分別與散熱器成一體化結構，兩者的散熱器長度和翅片間距相同，氣流方向一致，以形成密閉的風道。風機將風送入機箱內(nèi)，流過T/R組件和電源的散熱器，帶走熱量，最后從機箱上的出風口流出，回到環(huán)境大氣中。風機的性能曲線如圖4所示，最大風量為24 m3/h。

圖3 強迫風冷系統(tǒng)的原理圖

圖4 412JHH風機的性能曲線圖

2 熱仿真分析和計算

仿真計算采用Icepak商業(yè)軟件對天線陣面的風冷系統(tǒng)進行建模和分析，對圖1中的模型進行簡化,忽略對熱仿真結果沒有影響的部分結構(包括機箱上的凸緣、螺釘、倒角等)，在Icepak軟件內(nèi)建模，最終的熱仿真模型如圖5所示。深色部分是電源和T/R組件的散熱器，發(fā)熱元件安裝在散熱器的背板上，按前述結構布局建模，兩者的散熱翅片相向安裝，形成閉合的風道。T/R組件的散熱器高20 mm，翅片厚1 mm，相鄰兩翅片間的間距為3 mm；電源的散熱器高15 mm，翅片的厚度和間距與T/R組件的散熱器翅片相同。風機模型利用軟件模型庫中的fans建立，在Properties內(nèi)風機的性能選擇Non-linear, 對圖4所示的風機性能曲線進行加載。風機安裝在機箱的面板上，安裝面與散熱器的翅片垂直，以便氣流能流過散熱器的風道，風機安裝面與散熱器的距離為10 mm。風機采用吹風形式的冷卻效果要好于抽風，所以風機采用向機箱內(nèi)吹風的形式工作[3]。

圖5 熱仿真模型圖

熱仿真模型建好后，采用Hexa unstructured網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，之后采用CFD求解器進行求解[4]。

9個風機的總通風口面積約為11 000 mm2。在風機和散熱器不變的情況下，通風口的面積和結構形式會影響風機的性能，風機風量越大，風冷系統(tǒng)的散熱性能就越好，反之，風冷系統(tǒng)的散熱性能就越差。下面分別從通風口的面積和長寬比2個方面來分析其對風機風量的影響。

2.1通風口面積對風機性能的影響

為了比較通風口面積對風機性能的影響，仿真計算中設計了7個不同尺寸的通風口，保持通風口的長度640 mm不變，寬度分別為5 mm、10 mm、15 mm、17 mm、20 mm、25 mm、30 mm。當機箱上通風口的開口寬度為17 mm時，通風口面積為10 880 mm2，與風機的通風總面積相當。不同寬度的通風口參數(shù)對比見表1。

表1 不同寬度的通風口參數(shù)對比

在常壓和55 ℃環(huán)境溫度條件下，分別對上述7個不同通風口面積的情形進行仿真計算，并將計算結果表示成單個風機的平均風量隨通風口寬度變化的關系曲線,如圖6所示。

圖6 單個風機的平均風量隨通風口寬度的變化曲線圖

從圖6可知：當通風口的面積明顯小于風機的總通風面積時(如通風口寬度為5 mm、10 mm時)，風冷系統(tǒng)的阻力過大，風機的風量受通風口寬度的影響明顯；當通風口的面積與風機的總通風面積差距較小時(如通風口寬度為15 mm，20 mm時)，風機的風量受通風口寬度的影響較?。划斖L口的面積大于風機的總通風面積，再繼續(xù)增加通風面積時(如通風口寬度為20 mm、25 mm、30 mm時)，風機的風量增加量很小。

從仿真結果可知，在機箱通風口的設計上，機箱通風口的開口面積選擇可以參照對應風機的總通風面積，面積值以接近或大于風機的總通風面積為宜。

2.2通風口長寬比對風機性能的影響

從前面的分析可知，通風口尺寸為640 mm × 17 mm時，通風口的面積為10 880 mm2，風機的效率較高?，F(xiàn)保持通風口的面積不變，同時改變長度和寬度(a×b)的尺寸，研究長寬比值的變化對風機性能的影響。在圖5的仿真模型中，將通風口長度減小、寬度增加進行仿真計算，尺寸依次為640 mm × 17 mm 、500 mm × 21.8 mm、400 mm × 27 mm、320 mm × 34 mm；對應的長寬比值(a/b)分別為37.6、23、14.8、9.4。

根據(jù)仿真結果，不同長寬比時9個風機的風量分布如圖7所示，風機的編號為圖5中的風機依次從左至右排列。隨著長寬比值的減小，通風口的長度減小，寬度增加，通風口的覆蓋范圍向中心集中，不同風機的風量也呈現(xiàn)出明顯的差異，分布在機箱邊緣處的風機風量減小，風機效率降低，如編號為1、2、8、9的風機；長寬比值越小，風量受到影響的風機越多，且越明顯，如長寬比值(a/b)為14.8、9.4的情形；而處在通風口覆蓋范圍內(nèi)的風機，如編號為4、5、6的3個風機，風量幾乎不受長寬比變化的影響。由于9個風機呈線性排列，因此通風口的長寬比值對風冷系統(tǒng)有影響，通風口的開口過于集中在機箱面板上的某一部位，長寬比值越小，對風機效率的影響就越明顯，進而影響風冷系統(tǒng)的散熱性能。由此可知，通風口的設計應盡量與風機的排布方式相適應。

圖7 不同長寬比時風機風量的對比圖

3結束語

本文對機載雷達電子設備機箱通風口的結構參數(shù)進行了分析，通風口的尺寸變化會影響風機的效率，開口面積過小、長寬尺寸與風機排布方式不一致，均會使風機的效率下降。在進行電子機箱通風口設計時，通風口的面積可參照風機的總通風面積進行，通風口的長寬尺寸設計應盡量與風機的排布方式相適應。

[1] 張輝. 某機載雷達風冷機箱設計研究[D]. 南京：南京理工大學, 2013.

[2] 張永存，劉鵬，劉書田. 某電子設備通風口優(yōu)化設計[J]. 電子機械工程, 2007, 23(6): 20-23.

[3] 魏濤，錢吉裕，孔祥舉. 某機載毫米波雷達天線熱仿真設計[J]. 電子機械工程, 2014, 30(3): 16-18.

[4] 張學新. 某地面電子設備的熱設計[J]. 電子機械工程, 2014, 30(4): 8-11.

劉 巍(1980-)，男，博士，工程師，主要從事雷達電子設備熱設計工作。

EffectofIntakeStructureofRadarElectronicEquipmentonFanPerformance

LIUWei，ZHANGXian-feng，GUANHong-shan

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In this paper the effect of the intake area and length-width ratio on the performance of the forced air cooling system in the airborne radar electronic equipment is researched by the thermal simulation software Icepak. The results show that with the fixed fan model and unit internal structure, when the intake area is too small (compared with the total ventilation area of the fan), the performance of the fan is poor; that the wind resistance decreases and the wind of the fan increases with the increase of the intake area; that the wind of the fan is large when the intake area is close to or larger than the total ventilation area of the fan, but it will not obviously increase when the intake area continues to increase; that the wind of the fan will decrease and the wind resistance will increase when the length-width ratio of the intake is too small; that the fan performance is the best when the structure of the intake is accordant with the arrangement mode of the fan.

airborne radar; forced air cooling; intake; thermal design

2015-03-23

TK414.2+2

：A

：1008-5300(2015)04-0009-03