機載風冷機架高散熱性結構設計與驗證*

嚴 倪，管志宏，劉正偉，張瀟然

（1. 海軍駐成都地區(qū)電子設備軍事代表室，四川 成都610036；2. 中國電子科技集團公司第十研究所，四川成都610036）

引 言

在我國遠洋戰(zhàn)略不斷發(fā)展的背景下，機載平臺中針對其設備的模塊化、集成化和標準化要求也在逐步提高[1]。機載設備通常采用液冷或風冷方式進行散熱降溫[2]，而某機型由于受起飛最大重量的限制，采用了可以降低設備重量的風冷方式進行散熱降溫，即使用風冷機架設備。但是傳統(tǒng)風冷機架受工作原理和熱傳導路徑的影響，散熱效率不高，常常只能集成功率較低的模塊[3]。因此本文將對傳統(tǒng)風冷機架結構進行優(yōu)化設計，改善冷卻風的流動形式，以此提高風冷機架的易散熱性，進而提高機載設備的集成性和工作效率。

在機載設備與風冷裝置的結構設計與散熱性研究中，文獻[4]對某高熱流密度機載通信設備進行了整體結構布局設計，以此提高設備工作時受熱量影響的可靠性；文獻[5]提出了一種在高溫環(huán)境下采用強迫風冷散熱的密閉機箱，通過讓氣流在中空蓋板內(nèi)流動來提高發(fā)熱芯片與空氣的換熱速度；文獻[6]通過建立軸流式風扇模塊、散熱器等流固耦合一體化的模型，利用空氣流場與溫度場相匹配的方法，對風冷式電子機箱流固耦合傳熱特性進行了特性分析和優(yōu)化。雖然風冷散熱是機載設備常用的降溫方式之一[7]，但針對提高其散熱性結構設計的研究依然較少。隨著使用環(huán)境越來越多樣化和越來越惡劣，傳統(tǒng)風冷機架難以完全滿足機載設備的工作散熱要求，亟需對機載風冷設備的散熱優(yōu)化進行進一步研究。本文設計了在上下冷板之間增設活動風冷隔板的新型風冷機架結構，使風冷隔板與任意安裝位置處的現(xiàn)場可更換模塊（Line Replaceable Module, LRM）直接接觸，對設備進行有效的冷卻降溫，進而提高機載設備的集成化程度，以此滿足實際工程應用的需要。

1 風冷機架工作原理

風冷機架作為多項機載系統(tǒng)設備的重要組成部分，是通過風機冷卻或以環(huán)控風作為冷卻風，由多個機架結構件及風機組件（或飛機環(huán)控風入口）組成的綜合性設備。風冷機架一般對內(nèi)部模塊的熱耗有一定的上限限制，否則無法正常工作。不滿足要求的模塊目前主要通過2 種方式處理：移出機架，作為獨立模塊進行單獨散熱；改變散熱方式，由風冷改為液冷，以此提高單個模塊的散熱能力[8]。上述方式均有極大的局限性，都是以增加設備體積和重量為代價來解決問題。

本文主要針對傳導風冷冷卻方式的模塊化綜合機架進行研究。在此模塊化風冷機架系統(tǒng)中采用LRM結構，具有通用機械接口，滿足LRM 起拔裝置、鎖緊裝置等通用件的統(tǒng)一要求，滿足同一功能模塊的互換性要求，按功能可以將此風冷機架分為模塊承載區(qū)域、背板承載區(qū)域和對外接口區(qū)域3 部分。其中，模塊承載區(qū)域為機架的核心區(qū)域，提供LRM 安裝空間、機械接口以及冷卻界面；背板承載區(qū)域用于安裝系統(tǒng)背板，提供LRM 之間、LRM 與機架之間的電器互聯(lián)；對外接口區(qū)域用于對外接口的設置和線纜集束安裝，如圖1 所示。

圖1 風冷機架功能分區(qū)示意圖

風冷機架通過風機組件冷卻或以飛機內(nèi)的環(huán)控風作為冷卻風，使冷卻風在機架冷板內(nèi)風道之中流動。模塊通過鎖緊條與冷板緊密接觸，通過散熱面和鎖緊條將工作產(chǎn)生的熱量傳遞至機架冷板，并由冷板中的冷卻風將熱量帶走沉降，使設備冷卻降溫，避免溫度過高。模塊中的熱量傳導路徑如圖2 所示。

圖2 模塊熱傳導路徑示意圖

2 風冷機架高散熱結構

2.1 機架結構布局

該高散熱性風冷機架采取封閉式設計，活動風冷隔板安裝在主框架內(nèi)部。主框架為模塊承載區(qū)，是機架的核心構件，在其上下冷板的內(nèi)部集成有風道，LRM 模塊在該區(qū)域內(nèi)進行裝載?；顒语L冷隔板為冷卻風進風處，裝載在主框架內(nèi)，與高熱耗模塊接觸，可根據(jù)實際需要增減數(shù)量或調(diào)整位置，如圖3 所示。

圖3 機架結構布局示意圖

2.2 活動風冷隔板設計

為提高機架熱傳導效率，降低LRM 模塊溫度，在常規(guī)冷板結構的基礎上，設計了活動風冷隔板。風冷隔板內(nèi)部為風道，采用下腔體與上蓋板焊接為整體的結構形式，下腔體中包含大量一體化的散熱柱。風冷隔板在主框架的安裝方式如圖3 所示。

活動風冷隔板通過前部通孔和后部螺釘孔與機架相連，與高熱耗模塊相鄰接觸安裝。高熱耗模塊及機架內(nèi)部裝配完成后，通過模塊肋條上的楔形鎖緊條的壓力，將模塊左側散熱板貼在風冷隔板上。此結構將極大地增加散熱接觸面積，縮短傳熱路徑，減少熱阻，將模塊內(nèi)部熱量及時導出。活動風冷隔板端口處設置為進風口，因此此處冷卻風溫度最低。同時，風冷隔板可根據(jù)高熱耗模塊位置靈活移動安裝，使高熱耗模塊始終與風冷隔板大面積接觸并處在進風口位置。

2.3 熱量傳導方式

活動風冷隔板改變了傳統(tǒng)風冷機架內(nèi)部的空氣流動方式，使冷卻風通過風冷隔板進風口進入，由風冷機架兩邊冷板端口流出，熱量隨冷卻風導出并沉降，熱量傳導路徑如圖4 所示。

圖4 熱量傳導路徑示意圖

根據(jù)機架散熱結構，高熱耗模塊與活動風冷隔板直接接觸，主要向頂部導熱，因此在此類模塊的蓋板內(nèi)增設凸臺。同時，在凸臺頂部設置0.5 ～2 mm 不等的導熱襯墊，用于消除芯片與蓋板之間的接觸間隙，使芯片產(chǎn)生的熱量從蓋板路徑散出，縮短了熱通路徑，降低了擴散熱阻。

3 實物制造與試驗驗證

3.1 風冷機架實物制造

在建模軟件UG 中對該高耐蝕機載風冷機架進行三維建模。根據(jù)結構設計與三維模型，通過備料、銑加工、焊接、防護處理等加工工序，進行實物制造與裝配，得到高散熱性風冷機架的實際樣件，如圖5所示。

圖5 高散熱性機載風冷機架實物圖

3.2 結構熱測試試驗

為驗證研究內(nèi)容的正確性，對風冷機架開展了結構熱測試試驗，試驗現(xiàn)場如圖6 所示。此實驗使用假模塊焊接發(fā)熱電阻的方式替代發(fā)熱源模塊進行操作，模擬2 種不同情況（活動冷板與發(fā)熱模塊貼合和活動冷板與發(fā)熱模塊分離）對風冷機架的散熱降溫效果并進行對比驗證。

圖6 結構熱測試試驗示意圖

這2 種試驗情況所采用的環(huán)境參數(shù)和供風參數(shù)完全一致，見表1。測試后的溫度結果見表2。試驗所用的設備包括發(fā)熱電阻片、T 分度熱電偶、Pt 電阻溫度傳感器、Agilent 交流電源、Agilent 數(shù)采儀、電腦、供風系統(tǒng)等。

表1 試驗中環(huán)境和供風參數(shù)

表2 溫度測試結果 ?C

由試驗結果可知，該風冷機架可將高熱耗模塊內(nèi)部溫度有效降低9.5?C 左右。

4 結束語

本文針對機載風冷機架LRM 結構存在的模塊溫度過高的問題，通過設計機架中活動風冷隔板結構，改善了冷卻風的流動形式，縮短了LRM 模塊的傳熱路徑并減小了散熱熱阻，提高了模塊的散熱能力。對風冷機架進行實物樣件制造并開展結構熱測試，所得結果證明了該研究的正確性和可行性。因此，該風冷機架在不增加機載設備體積和重量的情況下，提高了內(nèi)部模塊的最大熱耗上限，可以集成并容納更大熱耗的模塊，增強了機載風冷機架的集成性、可靠性和適應性。