風腔厚度對強迫風冷系統(tǒng)散熱性能的影響

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

風腔厚度對強迫風冷系統(tǒng)散熱性能的影響

劉 巍,程 林

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

以某雷達天線單元為研究對象,采用Icepak熱仿真軟件,研究了風腔厚度對強迫風冷系統(tǒng)散熱性能的影響。結果表明:風腔厚度對風冷系統(tǒng)的散熱性能有明顯影響;保持風機型號和散熱器結構不變,當風腔厚度過小時,風機的性能受到明顯抑制;隨著風腔厚度的增加,風機的性能會變好,發(fā)熱元件的溫度明顯降低;當風腔厚度達到一定值后再繼續(xù)增加時,風機的性能反而會下降,發(fā)熱元件的溫度也相應升高。在工程設計中,推薦此類風冷散熱結構的風腔厚度取值不小于16 mm,不大于40 mm。

雷達;強迫風冷;風腔;熱設計

0 引 言

強迫風冷散熱是雷達電子設備的主要散熱方式之一。在雷達的風冷機箱[1]、風冷天線單元等設備中,散熱系統(tǒng)主要由風腔、風機和散熱器等部件組成。強迫風冷[2]系統(tǒng)中,風機所受的阻力越小,風機的風量就越大,風冷系統(tǒng)的散熱性能也會相應地提升,因此,減小系統(tǒng)的風阻是提高風冷系統(tǒng)散熱性能的有效途徑之一。

帶有風腔的風冷散熱系統(tǒng)中,風腔是連接散熱器和風機的橋梁。風機的長寬尺寸通常小于風腔的尺寸,所以氣流由風腔流入風機時,截面突然收窄,氣流方向會產生突變,風腔的厚度越短,氣流的方向變化就越多,產生的局部阻力就越大;風腔的厚度越長,氣流方向的變化越趨于平緩,產生的局部阻力就越小。因此,在其他條件不變的情況下,風機能否發(fā)揮出最佳性能,完全取決于風腔的厚度。本文利用熱仿真方法,針對某型雷達天線單元的風冷系統(tǒng),通過改變風腔的厚度來研究風腔厚度對風機性能的影響,為電子設備的風冷熱設計提供參考。

1 天線單元的風冷系統(tǒng)

天線單元的結構如圖1所示,風冷系統(tǒng)主要由散熱器、風腔、風機組成,發(fā)熱元件為T/R組件和多功能板,總熱耗約129 W,天線單元的長寬尺寸為180 mm×156 mm。散熱器與安裝板采用一體化設計,受到整體結構布局的限制,系統(tǒng)中采用了1個EBM直流風機,型號為8214JN,外形尺寸為80 mm×80 mm×38 mm,風機采用向外抽風的形式[3]。

圖1 天線單元的外形結構

散熱器的結構如圖2所示,散熱器與安裝板為一體化設計,散熱器位于安裝板的上下兩端,發(fā)熱元件的熱量通過凸臺傳導至安裝板上,再經由安裝板傳導至散熱器,散熱器內的空氣流向為前后進出風,其中凸臺高7 mm,安裝板的厚度為5 mm,散熱器的翅片長30 mm、高16 mm、翅片厚度1 mm、間距3 mm。

圖2 散熱器的結構

風腔的結構如圖3所示,一側連接散熱器的出風口,將其密封起來,然后引向風機,風機安裝在另一側,安裝口大小與風機的尺寸一致,風腔內部是中空的,風腔厚度(不計壁厚)為d。

風機的性能曲線如圖4所示,圖中V代表風機的風量,P代表風機的全壓,其最大風量為130 m3/h,最大全壓值為280 Pa,風機的性能曲線分1,2,3段,當風機的全壓變化時,2段中風機的風量變化最明顯,1段其次,3段中風量受全壓變化的影響較小。下節(jié)通過熱仿真來分析不同的風腔厚度對風機性能參數和發(fā)熱元件溫度的影響。

圖3 風腔的結構

圖4 8214JN風機的性能曲線

2 熱仿真分析和計算

仿真計算采用Icepak商業(yè)軟件對天線陣面的風冷系統(tǒng)進行建模和分析,Icepak軟件是專業(yè)的電子產品熱分析軟件,對圖1中的機箱模型進行適當簡化,忽略對仿真結果沒有明顯影響的部分結構,如機箱上的凸緣、螺釘、倒角等,風機模型利用軟件庫中的fans建立,properties,fan flow,Non-linear,load,將圖4中的風機性能曲線加載進去。最終的熱仿真模型如圖5所示,網格劃分采用Hexa unstructured網格類型,求解采用CFD求解器[4-5]。

為了比較風腔厚度對風冷散熱系統(tǒng)性能的影響,仿真計算中設計了12個不同的腔體厚度尺寸,分別為6,10,14,18,22,26,30,34,38,42,46和50 mm。常壓條件下,環(huán)境溫度為55℃。按圖5的仿真模型,分別對上述12個不同腔體厚度d的情形進行仿真計算,比較不同d下的風機風量、風機的全壓和發(fā)熱元件的最高溫度,從而得出風冷系統(tǒng)的散熱性能對比結果。

圖5 熱仿真模型圖

首先是風機風量的比較,計算結果表示成風機的風量V隨著風腔厚度d變化的關系曲線圖,如圖6所示。當風腔的厚度為6 mm時,風機的風量約為67 m3/h,當風腔厚度為18 mm時,風量達到了112 m3/h,增加了70%,再繼續(xù)增加風腔厚度時,風量的增幅趨于平緩,之后風量的變化趨勢出現(xiàn)一個拐點,風量的最大值出現(xiàn)在風腔厚度為30 mm時?？梢?當風腔厚度較小時,風腔厚度的變化對風機的風量有明顯影響,當風腔厚度達到30 mm時,再繼續(xù)增加風腔厚度,風機的風量反而略有下降。

圖6 風機的風量隨d的變化曲線

圖7是風機的全壓P隨著風腔厚度d變化的曲線圖。對比圖6和圖7可見,風機的風量和全壓隨著風腔厚度d的變化趨勢是一致的,都是在d=30 mm處出現(xiàn)拐點,在d=40 mm處風量減小,全壓增大。但風機風量和全壓的變化幅度不一樣,風機全壓值的變化幅度明顯高于風機風量的變化幅度,這是因為風腔厚度d分別為30 mm和40 mm時,風機的性能處于圖4中的3段區(qū)。

圖7 風機的全壓P隨d的變化曲線

圖8為風腔厚度不同時發(fā)熱元件的最高溫度值變化圖,溫度在3℃的范圍內變化,它的變化規(guī)律大體上是隨著風機風量的增加而降低的,當風腔厚度較薄時,增加風腔的厚度,風機的全壓降低,風量顯著增加,發(fā)熱元件的溫度也明顯下降。原因主要是風腔厚度較小時,風腔的腔體截面積收縮產生的局部阻力過大,而局部阻力是組成風機全壓的一部分,導致風機全壓較大,使得風機的效率低下;隨著風腔厚度的增加,局部阻力減小,風機全壓也隨之減小,風機性能提高,風量增大,當風腔厚度增加到一定程度時,由于風腔的結構突變產生的局部阻力不再下降,而沿程阻力的影響又較小,故風機的風量變化不明顯。

圖8 不同d時元件的最高溫度變化

發(fā)熱元件的溫度拐點出現(xiàn)在風腔厚度為34 mm處,與風機風量的拐點不同步。圖9是風腔厚度為34 mm時發(fā)熱元件的溫度分布云圖,由圖可見,溫度最高的發(fā)熱元件在圖9中用圓圈示出,位于天線單元的中部最右側,此處發(fā)熱元件密集,與上下兩側散熱器的距離最大,因此溫度最高。結合圖8和圖9,風機風量于發(fā)熱元件溫度的拐點不同步的原因,可能是風腔厚度為34 mm時,流過散熱器的氣流均勻性提高,散熱器右側的散熱效果增加所致。

圖9 d=34 mm時發(fā)熱元件的溫度分布云圖

可見,風腔的厚度過小會影響風機的性能,風腔的厚度增加到34 mm之后,再繼續(xù)增加,并不能明顯提高散熱性能,所以,風腔的厚度在散熱設計中應加以重視,將風腔的厚度設計在合理范圍內,能有效提高散熱效率。

3 結束語

風腔的厚度是影響強迫風冷系統(tǒng)性能的重要因素之一,在結構設計中,為了減小結構件的尺寸,風腔厚度對散熱性能的影響容易被忽視,往往把風腔的厚度設計得過小。通過仿真計算并進行對比分析發(fā)現(xiàn),在風冷散熱系統(tǒng)中,風腔厚度過小,導致腔體截面積收縮產生的局部阻力過大,風機全壓升高,致使風機的性能受到明顯抑制,系統(tǒng)散熱性能較差;風腔的厚度也并不是越大越好,它存在一個合理的范圍,達到一定值之后,再繼續(xù)增加,風機的性能不會提升,反而會下降。在工程設計中,推薦此類風冷散熱結構的風腔厚度d的取值一般不小于16 mm,不大于40 mm。

[1]張小軍,田珂.間接強迫風冷機箱的熱設計與仿真[J].科技創(chuàng)新與應用,2012(32):39-40.

[2]宋志行,關宏山,錢海濤,等.機載有源相控陣天線的結構設計[J].雷達科學與技術,2005,3(3):189-192.

[3]郭欣茹,張亞峰.電子設備機箱的強迫風冷設計[J].無線電通信技術,2004,30(2):49-50.

[4]張學新.某地面電子設備的熱設計[J].電子機械工程,2014,30(4):8-11.

[5]劉巍,張先鋒,關宏山.雷達電子設備通風口結構對風機性能的影響[J].電子機械工程,2015,31(4):9-11.

Effect of Wind Cavity Thickness on the Efficiency of Forced Air Cooling System

LIU Wei,CHENG Lin
(The38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Hefei230088,China)

In this paper,the effect of wind cavity thickness on the efficiency of forced air cooling system in the radar antenna is researched by the thermal simulation software of the Icepak.The results show that the thickness of wind cavity has obvious effect on the forced air cooling system.When the model of the fan and the structure of heat radiator are certain,the efficiency of the fan is decreased when the thickness of wind cavity is small;while the thickness of wind cavity is increased,the efficiency of the fan is improved observably,and the temperatures of thermal elements are decreased at the same time.When the thickness is more than a certain value,on the contrary,the efficiency of the fan is decreased,and the temperatures of thermal elements are increased accordingly.In the engineering design,the value of wind cavity thickness is suggested to be more than 16 mm and less than 40 mm.

radar;forced air cooling;wind cavity;thermal design

TN957.2

A

1672-2337(2017)02-0225-04

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.020

2016-09-26;

2016-12-06

劉 巍男,1980年出生于湖北天門,博士,中國電子科技集團公司第三十八研究所工程師,主要從事雷達電子設備環(huán)控設計工作。

E-mail:liuwei20050901@163.com

程 林男,1979年出生于河南南陽,碩士研究生,2004年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學,主要從事雷達結構力學仿真工作。