李衛(wèi)洲

0 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性與日俱增,集成度越來越高,電子設(shè)備單位體積的功耗不斷增大,導(dǎo)致電子設(shè)備的溫度迅速上升,從而引起電子設(shè)備的故障越來越多。對于由種類繁多的電子設(shè)備所組成的系統(tǒng)級裝備同樣存在著解決散熱困難的問題。目前,傳熱與流場分析方面已有很多成熟的仿真軟件,由于研究對象的復(fù)雜程度不同,用這類軟件分析解決元件級、板級、設(shè)備級的熱設(shè)計問題比較多,解決系統(tǒng)級熱控問題比較少,對電子設(shè)備的熱設(shè)計問題進行較深入的研究,找出系統(tǒng)級設(shè)備熱設(shè)計問題的關(guān)鍵點和技術(shù)方法,對總體設(shè)計意義重大。電子方艙是典型的系統(tǒng)級電子設(shè)備的載體,采用專業(yè)的電子設(shè)備熱分析軟件ICEPAK對方艙的進行建模、分析,可以驗證熱設(shè)計方案的正確性和可行性,節(jié)約成本的同時大大提高效率。

1 總體設(shè)計方案

工程總體要求,項目為車載站電子方艙系統(tǒng),滿足機動性要求,駐車工作。該車載站包含:汽車底盤、電子方艙、4套設(shè)備(高頻設(shè)備、低頻設(shè)備、復(fù)接器等)、4套天線及伺服系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)(配電單元、UPS、電池等)、供系統(tǒng)野外用電的發(fā)電機組及其他通信配套設(shè)備和附件。

根據(jù)整車設(shè)備數(shù)量、重量配置、維修性等方面的需求,方艙從前到后設(shè)置設(shè)備艙、附件艙和發(fā)電機艙。其中,設(shè)備艙安裝4臺設(shè)備機柜及沙發(fā)等附屬設(shè)備;附件艙后部、發(fā)電機艙上面設(shè)吊柜存放車輛附件,并在和設(shè)備艙之間的隔壁上對應(yīng)設(shè)備機柜處開設(shè)維修門,便于設(shè)備后部維修;發(fā)電機艙安裝1臺14.4 kVA發(fā)電機組。另外根據(jù)各艙室的實際情況設(shè)置進、排風(fēng)口和百葉窗等換氣裝置、應(yīng)急門、艙門、對外接口(信號口、電源口、轉(zhuǎn)接口等),艙頂安裝天線及波導(dǎo)系統(tǒng)。該電子方艙結(jié)構(gòu)特征為:方艙由6塊壁板組成,壁板內(nèi)外蒙皮為1.2 mm防銹鋁板,中間為阻燃型的聚胺酯泡沫芯材,密度為(60±5)kg/m3,艙壁傳熱系數(shù)為1.5 W/(m2?℃);方艙外形尺寸:L5 000 mm×W2 400 mm ×H1 900 mm;

該電子方艙系統(tǒng)的散熱及降溫措施有:在設(shè)備艙中設(shè)置進排風(fēng)口,提供艙內(nèi)人員的新鮮空氣需要量及艙內(nèi)外的換熱;在高頻設(shè)備前面板開設(shè)進風(fēng)網(wǎng)孔,在設(shè)備后面板對應(yīng)位置設(shè)置排風(fēng)扇,對功放、電源等高溫部件進行強制風(fēng)冷;發(fā)電機艙左右艙門設(shè)百葉窗,在艙體后壁設(shè)排風(fēng)扇,用于排出發(fā)電機所產(chǎn)生的熱氣,發(fā)電機的排煙管經(jīng)過轉(zhuǎn)接,穿過后艙壁將高溫?zé)煔馀诺脚撏?排煙管表面纏繞隔熱材料,在發(fā)電機艙內(nèi)壁貼裝隔熱材料;方艙前壁安裝1臺整體式空調(diào),送風(fēng)風(fēng)道布置到設(shè)備艙和附件艙,但和發(fā)電機艙隔開。

2 熱源分析及熱問題

2.1 方艙中的傳熱類型

根據(jù)方艙的特點和傳熱學(xué)的基本理論,下面分別介紹一下方艙內(nèi)部關(guān)于傳熱的3個方面。

2.1.1 傳導(dǎo)

方艙內(nèi)部熱傳導(dǎo)包括元件與印制板、器件與安裝結(jié)構(gòu)件、設(shè)備與機柜之間的傳熱;設(shè)備內(nèi)外部、方艙內(nèi)外部溫度差引起的熱量傳遞;其他物體直接接觸形成的熱傳遞。為溫度梯度矢量,K/m;φ為熱流量,W;q為熱流密度,W/m2[1]。

2.1.2 對流換熱

方艙內(nèi)部對流換熱包括設(shè)備的強制風(fēng)冷散熱、方艙的內(nèi)外部空氣交換、空調(diào)的艙內(nèi)外換熱及其他由于空氣流過固定表面且溫度不同所產(chǎn)生的熱量交換。

對流熱量交換可根據(jù)牛頓冷卻公式計算。

式中,h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù),W/(m2?K);A為對流換熱面積,m2;Δt為固體壁面溫度tw與流體溫度tf之差的絕對值,Δt大于零,保證熱流量φ或熱流密度q取得正值,K。

2.1.3 輻射換熱

方艙內(nèi)部的輻射換熱包括設(shè)備之間由于溫度不同引起的輻射換熱,另外方艙艙壁受太陽輻射吸收熱量而使艙壁溫度相對于氣溫更高。

式中,λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m?K);A為垂直于導(dǎo)熱方形的截面面積

輻射熱量可采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律的修正形式:

式中,ε為輻射黑度或發(fā)射率,他指物體的輻射能力與同溫度黑體的輻射能力之比,其值小于1,且與物體的種類、溫度及表面狀況等有關(guān)。

關(guān)于太陽輻射,單位時間內(nèi)地球大氣層外緣單位表面積所能接受到的太陽能為:

式中,f為日-地距離的修正系數(shù),一般取f=0.97～1.03;據(jù)測定,某一溫度下,單位時間內(nèi)在日-地平均距離處,地球大氣層外緣與太陽輻射射線相垂直的單位表面積所接受到的太陽能為(1 367±1.6)W/m2,此值記作SC;θ為太陽射線與地面法線間的夾角。

2.2 熱源分析

通過對該車載站的工作情況、使用條件、周圍環(huán)境進行分析,其主要熱源有以下3種:

①安裝在設(shè)備機柜上的系統(tǒng)電子設(shè)備耗散出很大的熱量,特別是高頻設(shè)備,散熱量集中;

②大功率的發(fā)電機組在一個相對較小的空間內(nèi),發(fā)電機自身熱風(fēng)先排在發(fā)電機艙內(nèi),然后才能通過排風(fēng)扇排往艙外,再加上排煙管表面較高的溫度,使得發(fā)電機艙艙內(nèi)溫度很高;

③當(dāng)電子方艙野外露天使用時,在太陽輻射下,方艙表面溫度升高,雖然艙壁內(nèi)有斷熱橋和隔熱材料,但是長時間照射后還是會使艙內(nèi)溫度升高,惡化工作環(huán)境。

2.3 存在的熱問題

工程經(jīng)過設(shè)計后,電子方艙工作時有2個方面的熱問題,下面分析一下故障現(xiàn)象及原因:

①由于發(fā)電機艙是個相對封閉的環(huán)境,發(fā)電機在工作一段時間后,由于熱量聚集越來越多,使得發(fā)電機本身溫度過高,當(dāng)發(fā)電機表面溫度達到105℃時,發(fā)電機啟動自動保護程序使發(fā)電機停止工作。原因可能是發(fā)電機艙的進排風(fēng)量有限,不能及時的將發(fā)電機組工作時產(chǎn)生的熱量及時帶到艙外,以致發(fā)電機組自動熱保護;

②4個設(shè)備機柜頂部安裝的高頻設(shè)備由于內(nèi)部功放和電源模塊發(fā)熱量大,熱風(fēng)經(jīng)過排風(fēng)扇排出,在高頻設(shè)備后部和方艙隔壁之間形成熱量聚集,溫度的升高提高了高頻饋線饋線損耗,根據(jù)相關(guān)資料顯示溫升對于饋線的損耗可以表示為:Att.(atX℃)=Att.(at20℃)+(X-20)×0.002,其中X為工作溫度。熱氣流反作用于高頻設(shè)備內(nèi)部,使得高頻設(shè)備內(nèi)部的溫度提高,影響高頻組件和其他電子元件的正常工作。原因可能是高頻設(shè)備散發(fā)的熱量通過設(shè)備后部的風(fēng)機排出,但是受到隔壁的阻擋,熱量聚集,使得溫度升高。

3 解決方案

在以上分析的基礎(chǔ)上,要想降低艙內(nèi)空間熱阻,提高散熱效果主要包括3個方面:①提高設(shè)備向外界的傳熱能力,可以利用強制風(fēng)冷等措施;②改善艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu),提供一條設(shè)備向外傳熱的低熱阻通路;③通過設(shè)置風(fēng)機,增加艙內(nèi)外對流效果。

針對容易出現(xiàn)熱問題的兩個部分,改進方案如下:在發(fā)電機艙底部加?xùn)鸥襁M風(fēng)口,同時把方艙后壁排風(fēng)扇的數(shù)量從1個增加到4個,來加大發(fā)電機艙的進排風(fēng)量,以保證發(fā)電機組產(chǎn)生的熱氣能及時排出艙外;為高頻設(shè)備的每個風(fēng)機在其和隔壁之間加單獨風(fēng)道,使高頻設(shè)備產(chǎn)生的熱量及時排到附件艙,然后通過附件艙排風(fēng)扇排出艙外,以免在機柜后部形成熱量聚集。經(jīng)過上述2個方面的改進后,方艙設(shè)計方案示意圖如圖1所示。

圖1 方艙設(shè)計示意圖

4 系統(tǒng)建模及仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)方案熱設(shè)計仿真使用的是美國Fluent公司的ICEPAK熱分析專用軟件。仿真過程分為五步:建模、有限體積法分析(網(wǎng)格劃分)、定義邊界條件、計算、后處理。

4.1 系統(tǒng)建模

由于分析的是整個方艙系統(tǒng)的熱設(shè)計,對于其中安裝的電子設(shè)備本身的溫度控制不做考慮。以下為電子方艙中關(guān)于熱設(shè)計的4個重要部分的簡化建模方法。

4.1.1 高頻設(shè)備

由于高頻設(shè)備總功耗為800 W,其輸出功率為80 W,效率為10%,所以我們近似認(rèn)為每臺高頻設(shè)備的熱耗散功率為800-80=720 W。建模時不考慮設(shè)備內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu),只是在內(nèi)部設(shè)置一個帶散熱器的熱阻,設(shè)置其功耗為720 W。

4.1.2 發(fā)電機組

發(fā)電機組本身是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng),要按實際情況建模非常復(fù)雜,其技術(shù)指標(biāo)為:

外形:L1 392 mm×W710 mm×H810 mm;

發(fā)動機功率:17.5 KW;

額定輸出功率:14.4 kVA;

實測散熱口溫度:85℃;

實測排煙口溫度:400℃;

設(shè)計熱保護溫度:105℃;

根據(jù)計算結(jié)果,發(fā)電機組的總散熱量約為17.5-14.4=4.54KW,但是由于散熱量不集中,且發(fā)電機組內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,仿真中建模根據(jù)實測的排煙管溫度、出風(fēng)口溫度等來確定模型中發(fā)熱元件的功率。

4.1.3 設(shè)備機柜的其他設(shè)備

由于設(shè)備機柜除高頻設(shè)備外,其他設(shè)備功耗都不高,并且設(shè)備本身全部為自然散熱,建模時計算各個機柜的其他設(shè)備功耗,并把其作為一個整體散熱塊,設(shè)定其總功耗。結(jié)果為:設(shè)備機柜1、2、3、4功耗分別為 200 W、160 W、170 W、330 W。

4.1.4 太陽輻射對方艙的影響

在實際使用環(huán)境中,方艙最多有3個面能受到太陽照射,熱設(shè)計計算時取頂面、左側(cè)面、后端面按太陽照射面計算,其余3個面為按環(huán)境溫度,太陽照射面會產(chǎn)生比環(huán)境溫度高的附加溫升,取附加溫升值為 Δt=15℃。艙壁的傳熱系數(shù)為K=1.5W/(m2℃)。根據(jù)式(1)計算各艙壁傳熱量。

頂壁:

左側(cè)壁:

后端面:

為這3個壁板分別設(shè)置散熱量。

除了上述4個方面需要在軟件中設(shè)中設(shè)置其參數(shù)外,方艙中其他零功率附件可忽略。

4.2 仿真結(jié)果分析

仿真條件:考慮所有設(shè)備開機并滿負(fù)荷運行的最惡劣情況;不考慮電子方艙安裝空調(diào)等降溫設(shè)備對整個環(huán)境的影響,因為有時供電只能滿足電子設(shè)備的供電需求或者溫控系統(tǒng)出現(xiàn)故障,為保證在一般情況下系統(tǒng)還能正常工作,按照環(huán)境溫度40℃的高溫環(huán)境計算,如果氣溫在40℃以上,必須要溫控設(shè)備保證環(huán)境溫度;考慮除進、排風(fēng)口外,所有艙門都關(guān)閉的情況。

根據(jù)建立好的模型在ICEPAK熱仿真軟件中劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分時要對高頻設(shè)備、發(fā)電機組等關(guān)鍵區(qū)域加密,定義邊界條件,設(shè)置環(huán)境溫度為40℃,進行仿真計算。方艙方案改進前后熱仿真結(jié)果如表1所示。

表1 方案改進前后熱仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果可以得到,發(fā)動機部分的溫度為85℃左右,保證了發(fā)電機組不會因為過熱保護(保護溫度105℃)導(dǎo)致自動停機;高頻設(shè)備和間壁之間的溫度為55℃(改進前此處溫度約80℃)左右,此區(qū)域的熱量得到了有效疏導(dǎo),降低了高頻饋線的傳輸損耗;高頻設(shè)備內(nèi)部空間(除散熱器本身)的溫度為65℃以下(改進前內(nèi)部溫度高達85℃),高頻設(shè)備內(nèi)部的元器件工作環(huán)境得到了一定改善,有利于提高設(shè)備的可靠性。

實際工程中按照改進方案對車載站進行了改造,在系統(tǒng)使用過程中沒有出現(xiàn)發(fā)電機組過熱保護和高頻設(shè)備過熱的現(xiàn)象,系統(tǒng)運行可靠,這種設(shè)計方案也在后續(xù)的幾個工程中得到了應(yīng)用,并且證明安全 、可靠 。

綜上所述,此方案的改進是成功的,不但保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和所選設(shè)備的通用性,而且使影響系統(tǒng)性能的兩個溫度薄弱點能滿足設(shè)備工作環(huán)境溫度要求,從而保證了整個系統(tǒng)使用的可靠性,并驗證了熱分析的正確性。

5 結(jié)束語

通過ICEPAK熱仿真軟件在該電子方艙熱設(shè)計時的應(yīng)用,方艙熱設(shè)計的關(guān)鍵問題得到了量化分析,實踐證明,改進方案的仿真結(jié)果正確,利用此類熱仿真軟件對系統(tǒng)級設(shè)備進行熱設(shè)計可使設(shè)計效率得到很大提高。熱設(shè)計是一個系統(tǒng)的工程,總體設(shè)計要求要客觀,設(shè)備選型要合適,安裝位置要合理,并從元件級、板級、設(shè)備級開始就要引起足夠重視,這樣才會有一個完美的系統(tǒng)熱設(shè)計方案。

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