劉衛(wèi)剛,趙冬竹,韓 嬋
(1.陜西黃河集團有限公司,陜西 西安 710043;2.西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院,陜西 西安 710043)
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T/R組件通風(fēng)風(fēng)道散熱設(shè)計
劉衛(wèi)剛1,趙冬竹1,韓 嬋2
(1.陜西黃河集團有限公司,陜西 西安 710043;2.西安建筑科技大學(xué) 華清學(xué)院,陜西 西安 710043)
針對某有源相控陣雷達天線中T/R組件散熱條件差的問題,設(shè)計了一種通風(fēng)風(fēng)道結(jié)構(gòu),采用強迫風(fēng)冷的散熱方式,運用Floefd軟件進行風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明,采用T形風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式,可有效降低T/R組件的最高溫度,同時使組件之間的溫度一致性降到約3.4 ℃。仿真結(jié)果滿足T/R組件最大允許工作溫度和組件之間溫度一致性的要求。
通風(fēng)風(fēng)道;T/R組件;散熱分析;強迫風(fēng)冷
在有源相控陣天線中安裝有大量密集度高的T/R組件,T/R組件工作會產(chǎn)生大量熱損耗,過高的溫度會影響組件的工作性能和使用壽命。因此,熱設(shè)計在有源相控陣天線中是一個重要的問題[1-2]。目前應(yīng)用于有源相控陣天線上的散熱方式主要有液冷和風(fēng)冷。液冷和風(fēng)冷都可以對熱流密度大的T/R組件達到均溫散熱的效果,但液冷散熱[3-11]需要一套完整的液冷系統(tǒng),不適合輕型化、高機動性的雷達;風(fēng)冷散熱[12-17]大多采用開放式風(fēng)冷系統(tǒng),因而抗惡劣環(huán)境影響的能力差,不能實現(xiàn)有源相控陣天線的防塵、防水和防鹽霧[18]。
針對上述問題,設(shè)計了一種通風(fēng)風(fēng)道用于某有源相控陣天線中的T/R組件散熱,采用強迫風(fēng)冷的散熱方式帶走T/R組件產(chǎn)生的熱量。該通風(fēng)風(fēng)道外壁用于連接T/R組件,內(nèi)腔用于氣流流動帶走T/R組件產(chǎn)生的熱量,通風(fēng)風(fēng)道的外壁及T/R組件密封在天線殼體內(nèi)部。結(jié)構(gòu)如圖1所示,因此,該結(jié)構(gòu)同時滿足雷達機動性和三防要求。本文設(shè)計的關(guān)鍵是優(yōu)化風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式,從而滿足T/R組件最大允許工作溫度和組件工作時溫度一致性要求。
圖1 T/R組件通風(fēng)風(fēng)道
1.1 技術(shù)要求
T/R組件最大允許工作溫度為75 ℃;雷達工作時,T/R組件之間的溫度一致性要求≤10 ℃;T/R組件工作環(huán)境溫度為-40~+50 ℃。
T/R組件總的耗散功率為
P=P1·n·(1-η)·η1=50×48×
(1-15%)×20%=408W
(1)
式中,P1為單個T/R組件的微波脈沖輸出功率,取P1=50 W;n為T/R組件的數(shù)量,取n=48;η是T/R組件的效率,取η=15%;η1為雷達發(fā)射占空比,取η1=20%。
1.2 風(fēng)冷流量的計算
T/R組件工作時環(huán)境最高溫度為50 °C。根據(jù)強迫對流平衡方程式(2)計算T/R組件通風(fēng)風(fēng)道內(nèi)空氣流動的溫升
(2)
式中,Qv為風(fēng)道內(nèi)所需的通風(fēng)量;P為T/R組件總的耗散功率,取P=408W=248 kcal/h;Cp為空氣的比熱,50 ℃時:取Cp=0.24 kcal/kg·℃;ρ是空氣密度,50 ℃時取ρ=1.093 kg/m3;Δt為進出口的溫度差。
由此可得T/R組件風(fēng)道內(nèi)部的空氣溫升Δt為
(3)
為保證T/R組件最高溫度不超過75 ℃,即
Δt+Δt1≤75
(4)
式中,Δt1為最高環(huán)境溫度,取Δt1=50 ℃。根據(jù)式(4)可得T/R組件風(fēng)道內(nèi)所需通風(fēng)量為
Qv≥37.8 m3/h
(5)
考慮到通風(fēng)風(fēng)道阻力的影響,設(shè)計風(fēng)量增大3倍,設(shè)計風(fēng)量為114 m3/h。依據(jù)設(shè)計風(fēng)量選擇型號為DB12038B24HR的直流風(fēng)機,該風(fēng)機的外型尺寸為120 mm×120 mm×38 mm,其最大風(fēng)量為346 m3/h,工作溫度為-25~+80 ℃。
根據(jù)以上風(fēng)量計算的結(jié)果和雷達天線的布局形式,將48個T/R組件依次交錯排列在通風(fēng)風(fēng)道外壁兩側(cè),結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。由于風(fēng)道太長,其進風(fēng)口和出風(fēng)口各安裝一個風(fēng)機并采用一端鼓風(fēng)另外一端抽風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式。安裝T/R組件時,在通風(fēng)風(fēng)道與T/R組件的貼合上面均勻涂導(dǎo)熱硅脂以消除兩者之間的間隙,從而減小傳熱路徑中的熱阻。圖3為通風(fēng)風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式。
圖2 T/R組件散熱風(fēng)道
用CAD軟件建立T/R組件通風(fēng)風(fēng)道的散熱模型。由于雷達天線結(jié)構(gòu)形式限制,通風(fēng)風(fēng)道的外形尺寸不能增大,因此可通過改變風(fēng)道中散熱片的數(shù)量、間距、厚度、高度來滿足設(shè)計指標要求。通過理論計算可得:散熱片的數(shù)量為18個,間距為2 mm,厚度為1 mm,高度為8 mm,長度與風(fēng)道的長度相同。這些條件和熱設(shè)計的技術(shù)要求將作為Floefd軟件優(yōu)化的初始條件,仿真結(jié)果如4圖所示。
圖4 風(fēng)道初始模型仿真結(jié)果
從圖4的仿真結(jié)果可以看出:由于上下兩側(cè)散熱片的間距過小導(dǎo)致風(fēng)阻較大,從而使大量的風(fēng)從入口風(fēng)機反射出去而只有很少的風(fēng)量穿過散熱片之間的間隙;空氣沿風(fēng)道流動的過程中,風(fēng)道內(nèi)溫度不斷在靠近出風(fēng)口位置累積升高,故在風(fēng)道出風(fēng)口附近的T/R組件溫度最高,達到75.18 ℃,其值超出T/R組件所允許的最高工作溫度。因此必須通過優(yōu)化風(fēng)道中散熱片的數(shù)量、間距、厚度、高度以達到設(shè)計指標要求。表1中的數(shù)據(jù)為Floefd軟件優(yōu)化結(jié)果。
表1 散熱片優(yōu)化數(shù)據(jù)
從表1的數(shù)據(jù)可以看出:第5組為最優(yōu)數(shù)據(jù),但該組數(shù)據(jù)中T/R組件最高溫度值接近最大允許的工作溫度。由此,該風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式存在空氣的流動流動路徑長、熱量累積的缺點。
為解決上述通風(fēng)風(fēng)道存在問題并降低T/R組件表面的最高溫度,使所有T/R組件表面溫度均勻,本文在表1第5組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上將風(fēng)道中散熱片的形狀改為階梯形,并將風(fēng)道中間位置設(shè)計為出風(fēng)口而兩端設(shè)計為進風(fēng)口,同時將風(fēng)機通過導(dǎo)風(fēng)裝置安裝在出風(fēng)口位置。因此,該結(jié)構(gòu)形成了中間抽風(fēng)兩端進風(fēng)的T形風(fēng)道。這種結(jié)構(gòu)形式可以使風(fēng)道的進風(fēng)量增大一倍并且可以縮短空氣在風(fēng)道內(nèi)的流動路徑。改進后的通風(fēng)風(fēng)道仿真模型如圖5所示,風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖5 風(fēng)道模型
使用Floefd軟件對改進后的模型進行仿真優(yōu)化,通過多次優(yōu)化可得:散熱片數(shù)量為17,高度為20 mm(階梯形最高處),厚度為0.8 mm,間距為2.5 mm。仿真結(jié)果如圖7所示,從結(jié)果可以看出:由于風(fēng)道采用階梯形的散熱片和兩端進風(fēng)中間出風(fēng)的結(jié)構(gòu)形式,該結(jié)構(gòu)使空氣流動阻力變小、進風(fēng)量增大、氣流路徑變短,使整個風(fēng)道的散熱分布比較均勻。進風(fēng)口和出風(fēng)口的T/R組件溫度相差約3.4 ℃;風(fēng)道中T/R組件最高溫度約69.7 ℃。該仿真結(jié)果比之前的仿真結(jié)果降低約3 ℃,解決了原風(fēng)道出風(fēng)口位置T/R組件溫度過高的問題。因此,這種結(jié)構(gòu)形式能提供給T/R組件較均勻的工作溫度。
圖7 風(fēng)道仿真結(jié)果
針對某有源相控陣天線中T/R組件數(shù)量多、散熱量大、天線內(nèi)通風(fēng)散熱條件差的問題,采用空氣強迫對流的散熱方式并運用Floefd熱設(shè)計軟件對T/R組件通風(fēng)風(fēng)道進行了優(yōu)化改進,將風(fēng)道由一端鼓風(fēng)另一端抽風(fēng)優(yōu)化的形式優(yōu)化為兩端進風(fēng)中間抽風(fēng)的T形風(fēng)道形式。優(yōu)化結(jié)果滿足了T/R組件散熱要求。這為評價冷板性能、優(yōu)化散熱風(fēng)道設(shè)計方案提供了一種有效的分析手段,同時為有源相控陣天線結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計提供了理論依據(jù)。
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Thermal Design of the Air Flue for the T/R Module
LIU Weigang1,ZHAO Dongzhu1,HAN Chan2
(1.Shaanxi Huanghe River Co. Ltd., Xi’an 710043, China;2.Huaqing School, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710043, China)
An air flue structure is designed to improve the ventilation and cooling of T/R module in the active phased array antenna. Forced air cooling is adopted to optimize the air flue structure by using FloEFD software. The simulation results show that maximal T/R module temperature can be reduced effectively by using the T-shaped air flue structure, with the temperature uniformity also reduced to about 3.4 ℃. The requirements of maximal temperature and uniformity are satisfied.
ventilation duct; T/R module; thermal design; forced air cooling
2016- 09- 21
劉衛(wèi)剛(1983-),男,碩士,工程師。研究方向:雷達天線散熱設(shè)計。
10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.043
TN82 ; TN830.5
A
1007-7820(2017)07-153-03