試論雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)

張海濤　孟春林

摘要：科學(xué)有效的熱設(shè)計(jì)是電子設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要保障，文章對(duì)雷達(dá)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；電子設(shè)備；結(jié)構(gòu)；熱設(shè)計(jì)

為了提高雷達(dá)電子設(shè)備的工作性能，保證電子設(shè)備可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要運(yùn)用科學(xué)有效的熱設(shè)計(jì)方法。而在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，一般需要緊密結(jié)合電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇一種最佳的熱設(shè)計(jì)方案，從而為雷達(dá)電子設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 熱設(shè)計(jì)的基本原則

在進(jìn)行電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過程中，其最主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在外環(huán)境與熱源之間形成一條熱阻通道，從而保證熱量可以通過這樣的通道，順利的排放出去，通過這樣一系列工作也更好的保證了電子設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)元器件失效率的規(guī)律指數(shù)和溫度因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，發(fā)現(xiàn)失效率與溫度之間呈現(xiàn)一種正比關(guān)系。因此，在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)的過程中，一定要對(duì)元器件的熱特性進(jìn)行一個(gè)充分的了解，要根據(jù)電子設(shè)備的可控制性，預(yù)計(jì)出所提供電應(yīng)力的管理模型、失效率、溫度等，對(duì)可控性預(yù)計(jì)進(jìn)行研究和分析，在這個(gè)基礎(chǔ)之上，再對(duì)元器件的質(zhì)量等級(jí)和電子設(shè)備實(shí)際的工作環(huán)境等因素進(jìn)行明確，對(duì)電子設(shè)備的可靠性和元器件的工作效率進(jìn)行分析和預(yù)計(jì)。

而熱設(shè)計(jì)的冷卻功能，一定要滿足預(yù)期工作中對(duì)于環(huán)境的各種要求，例如，海上艦船環(huán)境、機(jī)載空中環(huán)境、地面空氣環(huán)境等等。熱設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中，還需要滿足電子設(shè)備的實(shí)際限制要求，例如，重量、體積以及噪音等等。

在進(jìn)行電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的過程中，一般情況下，應(yīng)該與電路的設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，結(jié)合相應(yīng)的維修設(shè)計(jì)原理，同時(shí)，還需要對(duì)相關(guān)的安全因素和經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行考慮。

2 案例分析

本次設(shè)計(jì)主要解決以下幾個(gè)方面的問題：從熱設(shè)計(jì)的角度上來看，組合的結(jié)構(gòu)布局是否合理；風(fēng)扇的選擇是否合理；發(fā)布了總體的設(shè)計(jì)方案之后，能否為下一個(gè)工程設(shè)計(jì)提供靈感。

2.1 通過CAD軟件得到相應(yīng)的幾何數(shù)據(jù)

通過對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)方案的三維模型進(jìn)行分析，通過文件格式對(duì)相關(guān)的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還可以把它的外殼直接的轉(zhuǎn)換到其他的軟件中。通過這樣的轉(zhuǎn)換方式，可以對(duì)模型進(jìn)行快速的輸入，同時(shí)，也更加有效的保證了幾何尺寸的精準(zhǔn)性[1]。

2.2 通過已知參數(shù)建立熱模型

結(jié)合軟件中的孔特征就可以對(duì)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的實(shí)際尺寸和位置進(jìn)行確定，在這個(gè)過程中，需要重視的問題是，在進(jìn)風(fēng)口中一般可以直接的增加濾網(wǎng)，對(duì)于通風(fēng)量也具有一定程度的影響。

在熱模型的設(shè)計(jì)中，電路板的設(shè)置一般可以設(shè)置成多層板的形式，絕緣層和傳導(dǎo)層的材料一般可以進(jìn)行分別的設(shè)置，而傳導(dǎo)層在絕緣層中所占的厚度和比例一般可以進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算和設(shè)置。熱傳導(dǎo)的系數(shù)將如下：

kin=A100×kcnd+1-A100×kdie

1kthro=A100kcnd+1-A100kdie

dr=dcnd×volcnd+ddie×voldievolr

volr=voldie+volcnd

其中，第三、四個(gè)公式?jīng)Q定了傳導(dǎo)層在電路板模型中的比例，電路板的內(nèi)傳導(dǎo)系數(shù)為kin和電路板的傳導(dǎo)系數(shù)Kthro通過第一個(gè)、二個(gè)公式可獲得。

沒有對(duì)激勵(lì)器電路板的元器件信號(hào)進(jìn)行確定，可以將其設(shè)定為簡單的熱源，而這種激勵(lì)組合散熱功能一般消耗可假設(shè)為400W，每一個(gè)電路板中設(shè)有6個(gè)模塊，每一模塊的熱功耗約為3W，元器件的散熱功能約為2W，通過電路板進(jìn)行均勻的散出。

從目前熱源的實(shí)際分布的狀況來看，頻綜和熱源的熱功率并不是很大，而這兩個(gè)模塊相對(duì)于總的散熱功率來說也相對(duì)比較小，因此，也更加有利于簡化熱源模型，進(jìn)而減少計(jì)算時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)數(shù)。

3 熱設(shè)計(jì)的基本步驟

3.1 了解參數(shù)

在進(jìn)行實(shí)際的熱設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)元器件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行一定的了解，例如耗散功率、使用功率、額定功率以及內(nèi)阻等，同時(shí)，還需要滿足工作環(huán)境的溫度要求和可靠性的結(jié)溫要求等，還需要盡量的選擇一些耐高溫性能良好的元器件。

3.2 方式選擇

對(duì)于一些密度比較高的小型的元器件來說，由于受到其經(jīng)濟(jì)成本以及體積等因素的影響，應(yīng)用自然風(fēng)冷作散熱方式的注意事項(xiàng)有以下兩個(gè)方面：

首先，通過輻射的方式，把一些熱量從元器件的外殼中逐漸的輻射到周圍物體的表面上，一般都是通過熱輻射和自然對(duì)流進(jìn)行散熱工作，因此，一定要保證元器件周圍環(huán)境的通風(fēng)良好，這樣才更加方便于熱量的散發(fā)，條件允許的情況下，還可以在元器件的周圍設(shè)置一些散熱孔，方便于空氣的流通。在這個(gè)過程中，散熱量主要是受到通風(fēng)孔的面積和機(jī)箱的表面積的影響。

對(duì)于那些沒有辦法通過自然風(fēng)來進(jìn)行散熱的元器件，一般可以通過散熱片的方式，來降低元器件的溫度。自然的散熱下，周圍環(huán)境的熱阻與外殼都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于外殼間的熱阻和模塊內(nèi)部元器件內(nèi)的熱阻，元器件一般情況下都是通過暴露外殼向外發(fā)散熱量。

增加散熱片，在一定的程度上來講，也就是增加敷設(shè)和對(duì)流的表面積，對(duì)于元器件的散熱效果進(jìn)行很好的改善。散熱片一般都是采用一些性能良好的鋁、銅等材質(zhì)，散熱面積越大，其環(huán)境溫差也就越大，也就具有更好的熱輻射能力。

在很多尺寸和體積都被限定了的結(jié)構(gòu)中，風(fēng)扇的風(fēng)速越大，實(shí)際提供的氣流速度也就越大，但是，在實(shí)際運(yùn)行的過程中，噪音也會(huì)比較大，因此，還需要平衡噪音和散熱效果之間的關(guān)系。風(fēng)口形狀的影響也不容被忽視，如果風(fēng)口的面積比較小，雖然能夠保證機(jī)箱具有很好的外觀，灰塵也不容易進(jìn)入，但是，在實(shí)際通風(fēng)的過程中，經(jīng)常會(huì)遇到很大的熱阻，對(duì)于其散熱性也會(huì)產(chǎn)生不良的影響。同時(shí)，在機(jī)箱中裝有很多的隔板，也十分不利于通風(fēng)，如果隔板的面積比較大，一般情況下，需要在元器件的周圍開設(shè)一些通風(fēng)孔，這樣才能保證通風(fēng)正常[2]。

其次，就是自然對(duì)流的方式，把熱量從暴露的表面和外殼模塊中傳輸?shù)娇諝庵校@個(gè)時(shí)候熱量就會(huì)由元器件的溝道處進(jìn)行散發(fā)，散發(fā)到周圍的環(huán)境中去。

3.3 材料的選擇

電子設(shè)備結(jié)構(gòu)常用的材料是鋁，很多的熱軋和冷軋通過彎曲、沖壓等手段，可以制作成鑄鋁鑄造成型以及機(jī)箱零件焊接成型。

鑄鋁箱體在制作的過程中，一般都是運(yùn)用自然冷卻的方式來進(jìn)行，機(jī)箱的實(shí)際面積直接的決定了其散熱量。如果對(duì)于機(jī)箱的升溫范圍進(jìn)行了一定的限制，一般需要對(duì)機(jī)箱的表面積和散發(fā)的熱量也要進(jìn)行一些限定。一旦超出了限定的范圍，就可以采用強(qiáng)制風(fēng)冷或者是通風(fēng)機(jī)箱的方式。

3.4 元器件耐高溫布置

在進(jìn)行元器件布局的過程中，通常需要遵循以下幾個(gè)基本原則：首先，可以把一些熱阻大、發(fā)熱高的元器件放置在腔體的下方，不可以放在印制板的四周邊緣或者是角落處，還需要保證流經(jīng)散熱器的是冷風(fēng)，風(fēng)量一定要足夠；其次，熱阻大、發(fā)熱高的元器件還需要盡量的隔離或者避開其他的熱源，以免對(duì)輻射造成影響；最后，還需要保證熱量的均勻分布，對(duì)于一些發(fā)熱量較高的元器件，盡量避免集中的布置[3]。

4 機(jī)箱仿真結(jié)果分析

機(jī)箱模型在Solidworks中完成，一定要進(jìn)行精準(zhǔn)仿真，得到一個(gè)比較接近于實(shí)際專狀況的仿真數(shù)據(jù)，需要對(duì)初始的模型進(jìn)行簡化處理，從而提高仿真的精準(zhǔn)度。使用FLOMCAD的功能，把模型轉(zhuǎn)化成計(jì)算模型。簡化原則如下：

首先，設(shè)備的外殼厚度在4mm左右，對(duì)設(shè)備內(nèi)部電纜造成的阻礙進(jìn)行忽略；其次，一些熱量較小的元器件在進(jìn)行建模設(shè)定的過程中，設(shè)定為不導(dǎo)熱模塊；在熱分析FLOMCAD軟件中進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換如圖1：

在FLOMCAD軟件中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的劃分，對(duì)計(jì)算的區(qū)域采用Fine的模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，進(jìn)行以下設(shè)置（如圖2）

在完成了以上的設(shè)置之后，進(jìn)行初始化計(jì)算，環(huán)境溫度分別定在35℃和45℃，計(jì)算收斂之后就可以停止計(jì)算。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在45℃時(shí)，就向外部的空氣流動(dòng)比較好，總體氣流的流入體積為0.25522m3/s，流出的體積為0.25525m3/s，機(jī)箱的散熱性（自然散熱）相對(duì)于35℃時(shí)沒有特別明顯的變化，因此，這也導(dǎo)致了機(jī)箱沒有辦法更好的適應(yīng)惡劣的環(huán)境，其內(nèi)部空氣也不能進(jìn)行很好的流通，因此，散熱系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)就很有必要，保證密閉性的前提下，在內(nèi)部形成很好的空氣流動(dòng)。

5 總結(jié)

雷達(dá)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)在遵循一定原則基礎(chǔ)上，通過CAD軟件、FLOMCAD軟件，經(jīng)一系列計(jì)算得知，熱源的熱功率較小，有利于簡化熱源模型，減少了計(jì)算時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)數(shù)；此外，冷卻單元中，盡量使發(fā)熱器順著冷壁散開，避免高發(fā)熱量或者是相對(duì)敏感的元器件處于相鄰布置，同時(shí)，還不能把元器件直接的放置在高發(fā)熱量的元器件上部，最好進(jìn)行交錯(cuò)的布局。經(jīng)仿真分析顯示，機(jī)箱散熱系統(tǒng)十分關(guān)鍵，日后實(shí)踐應(yīng)對(duì)其進(jìn)行密閉、合理設(shè)計(jì)，以此為國防事業(yè)發(fā)展提供可靠的雷達(dá)電子設(shè)備。

參考文獻(xiàn)：

[1]王甜，丁飛，劉魯軍.淺析民用雷達(dá)電子設(shè)備機(jī)柜通風(fēng)孔設(shè)計(jì)——熱設(shè)計(jì)與視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2015，23：6667.

[2]白琳，劉娟.大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，25：3839.

[3]劉巍，張先鋒，關(guān)宏山.雷達(dá)電子設(shè)備通風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響[J].電子機(jī)械工程，2015，04：911+19.