艦船電源機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

陳寧寧

（中國電子科技集團(tuán)公司第三研究所，北京 100015）

隨著艦船電子、通信技術(shù)快速發(fā)展，艦艇設(shè)備的配備不僅越來越先進(jìn)，也越來越完善，內(nèi)部電子設(shè)備高度集成化、功能更加強(qiáng)大、反應(yīng)更靈敏。同時(shí)艦船電子設(shè)備內(nèi)部存在大量元器件，在電子設(shè)備工作中高度集成化的元器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致艙室工作溫度快速升高，如果這些電子設(shè)備散熱存在問題，當(dāng)艦船內(nèi)電子設(shè)備內(nèi)部板卡及電子元器件溫度超過臨界值時(shí)，設(shè)備就會(huì)進(jìn)入熱保護(hù)狀態(tài)，不能正常工作，這勢(shì)必會(huì)影響整個(gè)艦船的工作。由此可見，艦船內(nèi)部電子設(shè)備本身具備良好的散熱性能尤為重要[1]，在艦船電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中就要進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，散熱設(shè)計(jì)也是保證艦船電子設(shè)備安全、可靠性的必要條件，為艦船的正常工作保駕護(hù)航。

在艦船中，電源機(jī)箱肩負(fù)著為其他設(shè)備供電的職責(zé)，在工作時(shí)其輸出功率只占設(shè)備總功率的一部分，其中損失的功率會(huì)以熱能的形式散發(fā)出來，這將導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部積聚大量的熱量。倘若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，積聚的熱能不能有效地散發(fā)出去，會(huì)嚴(yán)重影響電子元器件的壽命和設(shè)備的可靠性[2]。針對(duì)此情況，本文設(shè)計(jì)了一種艦船用智能電源機(jī)箱，該機(jī)箱屬于通風(fēng)型散熱機(jī)箱，解決了艦船高溫環(huán)境下機(jī)箱散熱問題，并且可以通過前面板可視化窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)箱內(nèi)各盤位電源模塊工作時(shí)功率額度比及工作溫度。

1 電源機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 散熱方式

自然界中熱傳遞有3 種方式：輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流[3-5]。輻射通過電磁波方式向外進(jìn)行傳播，其原理是溫度升高后，物體內(nèi)部原子中電子震動(dòng)引起的輻射，輻射能量一部分會(huì)被物體吸收，被吸收的能量會(huì)轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)出去。傳導(dǎo)是熱量在直接接觸的2 個(gè)物體表面進(jìn)行傳遞，采用熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱時(shí)可以采用以下措施。①通過導(dǎo)熱系數(shù)高的金屬件與高溫元器件貼合進(jìn)行散熱，因?yàn)榻饘俨牧系膶?dǎo)熱系數(shù)普遍高于非金屬材料，因此經(jīng)常采用鋁金屬材料作為熱傳導(dǎo)零件。②增大散熱本體與散熱零件之間的接觸面積，其中2 個(gè)物體接觸面之間不要有間隙，因?yàn)榭諝鈱?dǎo)熱系數(shù)小，會(huì)起到隔熱作用，降低熱量傳導(dǎo)效果，因此應(yīng)盡可能減小接觸表面粗糙度，均勻地增加接觸壓力，最常用的方法是在兩者接觸面之間增加導(dǎo)熱系數(shù)好的硅膠填隙料，既可以排除接觸空氣減少熱阻，又能增加接觸面積。對(duì)流是依靠發(fā)熱物體周圍流體介質(zhì)的流動(dòng)將熱能轉(zhuǎn)移出去的過程，由于流體運(yùn)動(dòng)的原理不同，對(duì)流散熱的方式可以采用自然對(duì)流或者強(qiáng)制對(duì)流，自然對(duì)流是由流體冷熱不均造成的溫度差引起，強(qiáng)迫對(duì)流是由于外部機(jī)械力的作用加速流體的運(yùn)動(dòng)，使熱能快速離開發(fā)熱物體表面，起到加強(qiáng)對(duì)流作用，利用熱對(duì)流散熱時(shí)可以加大散熱器散熱面積，同時(shí)將散熱器形狀做成肋狀等[6-7]。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在機(jī)箱設(shè)計(jì)中多采用混合散熱方式，可以更有效地降低熱能，提高設(shè)備工作穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)

根據(jù)艦船電子裝備需求，本文設(shè)計(jì)一種大功率智能電源機(jī)箱，該機(jī)箱為19 寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，可適配艦船內(nèi)部其他電子設(shè)備，如機(jī)柜等，符合艦船電子設(shè)備機(jī)箱通用規(guī)范，機(jī)箱材質(zhì)采用耐腐蝕性好且表面經(jīng)過耐腐蝕處理的高性能輕合金，充分考慮其強(qiáng)度和剛度，滿足艦船惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。該電源機(jī)箱具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具體參數(shù)如下：①機(jī)箱外形尺寸為482.6 mm×438 mm×132.5 mm，材料采用防銹鋁合金且機(jī)箱整體經(jīng)過電磁屏蔽處理；②電源機(jī)箱內(nèi)部有5 個(gè)功率盤位，自左向右依次為1、2 號(hào)（主功率盤），3、4、5 號(hào)（從功率盤），電源模塊為機(jī)箱內(nèi)部主要發(fā)熱元器件；③機(jī)箱工作狀態(tài)下輸出最大總功率為900 W，1 號(hào)和2 號(hào)為主要工作盤位；④電源模塊最佳工作溫度臨界值為70 ℃；⑤機(jī)箱內(nèi)電源模塊采用散熱片接觸傳導(dǎo)散熱，以及前、后面板安裝散熱風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流的混合散熱方式；⑥機(jī)箱前面板設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口，如圖2 所示，且主、從功率盤工作時(shí)盤內(nèi)溫度和輸出功率比值可以在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。

圖1 電源機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 電源機(jī)箱前視圖

電源模塊與散熱片安裝方式如圖3 所示，散熱片結(jié)構(gòu)采用肋片結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸如圖4 所示。散熱片與功率盤PCB 板上散熱模塊接觸面之間粘貼導(dǎo)熱硅膠，然后對(duì)功率板均勻施加壓力，盡可能排出兩者之間的空氣，減少空氣熱阻的同時(shí)增大接觸面積。

圖3 電源模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 熱片結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)箱散熱試驗(yàn)結(jié)果分析

將機(jī)箱負(fù)載設(shè)置為600 W，工作環(huán)境溫度為25 ℃，主功率盤位和從功率盤位分別單獨(dú)連續(xù)工作，通過監(jiān)控窗口記錄機(jī)箱內(nèi)各盤位溫度及功率額度比值。電源模塊與散熱器通過導(dǎo)熱硅膠接觸傳導(dǎo)散熱，機(jī)箱內(nèi)部通過排風(fēng)扇將電源模塊散發(fā)的熱能排出到機(jī)箱外部。直至機(jī)箱結(jié)束工作時(shí)各盤位溫度趨于穩(wěn)定，記錄試驗(yàn)結(jié)果，見表1 和表2。

表1 600 W 負(fù)載時(shí)雙主功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

表2 600 W 負(fù)載時(shí)從功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

機(jī)箱負(fù)載設(shè)置為900 W，機(jī)箱處于滿負(fù)載工作狀態(tài)，工作環(huán)境溫度為25 ℃，因機(jī)箱工作后機(jī)器內(nèi)余熱沒有完全散發(fā)，機(jī)箱內(nèi)主、從功率盤初始溫度略高于室溫，但此溫度不影響試驗(yàn)結(jié)果。主功率盤位和從功率盤位分別單獨(dú)連續(xù)工作，記錄各盤位溫度。電源模塊與散熱器通過導(dǎo)熱硅膠接觸傳導(dǎo)散熱，機(jī)箱內(nèi)部通過排風(fēng)扇將電源模塊散發(fā)的熱能排出到機(jī)箱外部。截至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各盤位溫度上升超過最佳溫度臨界值，機(jī)箱進(jìn)入熱保護(hù)狀態(tài)，停止工作。記錄試驗(yàn)結(jié)果，見表3 和表4。

表3 900 W 負(fù)載時(shí)雙主功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

表4 900 W 負(fù)載時(shí)從功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電源模塊目前采用的散熱結(jié)構(gòu)，在低負(fù)載的情況下可以正常工作，但在機(jī)箱滿負(fù)載工作時(shí)，電源模塊產(chǎn)生的熱量并不能有效排出，散熱效果不明顯，當(dāng)機(jī)箱繼續(xù)工作時(shí)，大量熱能積聚在機(jī)箱內(nèi)部無法有效排除，導(dǎo)致電源模塊溫度呈上升趨勢(shì)直至到達(dá)最佳工作溫度臨界值，最終電源模塊進(jìn)入斷電保護(hù)狀態(tài)，停止工作。

3 機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，為保證機(jī)箱能夠在艦船高溫惡劣環(huán)境下正常工作，對(duì)電源機(jī)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以滿足熱性能要求。具體為：優(yōu)化機(jī)箱電源模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在電源模塊殼體上增加進(jìn)、出風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口處加裝散熱風(fēng)扇，增加內(nèi)部進(jìn)風(fēng)量的同時(shí)在電源模塊內(nèi)部形成強(qiáng)制對(duì)流，盡可能地將電源模塊產(chǎn)生的熱量帶走，從而達(dá)到降低溫度的目的，優(yōu)化改進(jìn)后具體結(jié)構(gòu)如圖5 和圖6 所示。

圖5 改進(jìn)后的電源模塊結(jié)構(gòu)圖

圖6 改進(jìn)后的電源模塊結(jié)構(gòu)圖

改進(jìn)后的電源模塊重點(diǎn)是內(nèi)部風(fēng)扇的選型，計(jì)算風(fēng)量指標(biāo)Q（單位：CFM），具體如公式（1）所示。

式中：Vt為風(fēng)扇風(fēng)速，m/s；St為盤內(nèi)風(fēng)道截面積，m2。

艦船工作環(huán)境溫度T2 為50 ℃，根據(jù)模塊選型手冊(cè)可知，模塊最佳工作溫度T1 臨界值為70 ℃，故模塊最大容許溫升如公式（2）所示。

模塊熱耗散功率計(jì)算如式（3）所示。

式中：P 為模塊額定輸出功率，根據(jù)所購模塊的選型手冊(cè)可知，P 為700 W；η 為模塊工作效率，根據(jù)所購模塊手冊(cè)可知，工作效率為90%。

故可得出散熱器熱阻（單位：℃/W），如公式（4）所示。

根據(jù)電源模塊技術(shù)手冊(cè)可知，當(dāng)風(fēng)扇風(fēng)速達(dá)到4.0 m/s 時(shí)，散熱器熱阻小于0.29 ℃/W，風(fēng)速提高，散熱器熱阻的數(shù)值會(huì)顯著減小。因此，可根據(jù)此風(fēng)速代入式（1）計(jì)算所需的風(fēng)量。

3.2 改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果分析

將機(jī)箱負(fù)載設(shè)置為600 W，主功率盤位單獨(dú)工作，采用優(yōu)化改進(jìn)后的風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，不限定機(jī)箱工作時(shí)間，記錄試驗(yàn)結(jié)果，見表5。截止試驗(yàn)結(jié)束，盤位溫度趨于穩(wěn)定，保持在56 ℃。從功率盤單獨(dú)工作，采用改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，不限機(jī)箱工作時(shí)間，記錄試驗(yàn)結(jié)果，見表6，截至試驗(yàn)結(jié)束，從功率盤溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，不再繼續(xù)上升。

表5 改進(jìn)后600 W 負(fù)載時(shí)雙主功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

表6 改進(jìn)后600 W 負(fù)載時(shí)從功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

機(jī)箱負(fù)載設(shè)置為900 W，采用優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，滿負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行工作，工作環(huán)境溫度為25 ℃，主功率盤位和從功率盤位分別單獨(dú)連續(xù)工作，記錄各盤位溫度，截至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各盤位溫度趨于穩(wěn)定不再上升，機(jī)箱可以正常連續(xù)工作，記錄試驗(yàn)結(jié)果，見表7 和表8。

表7 改進(jìn)后900 W 負(fù)載時(shí)雙主功率盤溫度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)艦船環(huán)境適應(yīng)性要求對(duì)電源機(jī)箱進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，將機(jī)箱放置在高溫箱中，設(shè)置高溫70 ℃，低溫25 ℃，機(jī)箱負(fù)載設(shè)置為900 W，設(shè)置雙主功率盤處于工作狀態(tài)，高溫箱連續(xù)循環(huán)48 h 工作后，通過前面板實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)箱工作狀態(tài)，主功率盤電源模塊依然可以正常工作，如圖7 所示。

圖7 機(jī)箱高低溫試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4 結(jié)束語

通過對(duì)熱傳遞的分析，結(jié)合艦船設(shè)備特種要求，設(shè)計(jì)了智能電源機(jī)箱，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，然后通過計(jì)算選出主、從功率盤內(nèi)合適的風(fēng)扇型號(hào)。改進(jìn)后的機(jī)箱具備散熱性能好，集成度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，為以后大功率設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。