图1 天线单元的外形结构
刘 巍,程 林
(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)
摘 要:以某雷达天线单元为研究对象,采用Icepak热仿真软件,研究了风腔厚度对强迫风冷系统散热性能的影响。结果表明:风腔厚度对风冷系统的散热性能有明显影响;保持风机型号和散热器结构不变,当风腔厚度过小时,风机的性能受到明显抑制;随着风腔厚度的增加,风机的性能会变好,发热元件的温度明显降低;当风腔厚度达到一定值后再继续增加时,风机的性能反而会下降,发热元件的温度也相应升高。在工程设计中,推荐此类风冷散热结构的风腔厚度取值不小于16 mm,不大于40 mm。
关键词:雷达;强迫风冷;风腔;热设计
强迫风冷散热是雷达电子设备的主要散热方式之一。在雷达的风冷机箱[1]、风冷天线单元等设备中,散热系统主要由风腔、风机和散热器等部件组成。强迫风冷[2]系统中,风机所受的阻力越小,风机的风量就越大,风冷系统的散热性能也会相应地提升,因此,减小系统的风阻是提高风冷系统散热性能的有效途径之一。
带有风腔的风冷散热系统中,风腔是连接散热器和风机的桥梁。风机的长宽尺寸通常小于风腔的尺寸,所以气流由风腔流入风机时,截面突然收窄,气流方向会产生突变,风腔的厚度越短,气流的方向变化就越多,产生的局部阻力就越大;风腔的厚度越长,气流方向的变化越趋于平缓,产生的局部阻力就越小。因此,在其他条件不变的情况下,风机能否发挥出最佳性能,完全取决于风腔的厚度。本文利用热仿真方法,针对某型雷达天线单元的风冷系统,通过改变风腔的厚度来研究风腔厚度对风机性能的影响,为电子设备的风冷热设计提供参考。
天线单元的结构如图1所示,风冷系统主要由散热器、风腔、风机组成,发热元件为T/R组件和多功能板,总热耗约129 W,天线单元的长宽尺寸为180 mm×156 mm。散热器与安装板采用一体化设计,受到整体结构布局的限制,系统中采用了1个EBM直流风机,型号为8214JN,外形尺寸为80 mm×80 mm×38 mm,风机采用向外抽风的形式[3]。
图1 天线单元的外形结构
散热器的结构如图2所示,散热器与安装板为一体化设计,散热器位于安装板的上下两端,发热元件的热量通过凸台传导至安装板上,再经由安装板传导至散热器,散热器内的空气流向为前后进出风,其中凸台高7 mm,安装板的厚度为5 mm,散热器的翅片长30 mm、高16 mm、翅片厚度1 mm、间距3 mm。
图2 散热器的结构
风腔的结构如图3所示,一侧连接散热器的出风口,将其密封起来,然后引向风机,风机安装在另一侧,安装口大小与风机的尺寸一致,风腔内部是中空的,风腔厚度(不计壁厚)为d。
风机的性能曲线如图4所示,图中V代表风机的风量,P代表风机的全压,其最大风量为130 m3/h,最大全压值为280 Pa,风机的性能曲线分1,2,3段,当风机的全压变化时,2段中风机的风量变化最明显,1段其次,3段中风量受全压变化的影响较小。下节通过热仿真来分析不同的风腔厚度对风机性能参数和发热元件温度的影响。
图3 风腔的结构
图4 8214JN风机的性能曲线
仿真计算采用Icepak商业软件对天线阵面的风冷系统进行建模和分析,Icepak软件是专业的电子产品热分析软件,对图1中的机箱模型进行适当简化,忽略对仿真结果没有明显影响的部分结构,如机箱上的凸缘、螺钉、倒角等,风机模型利用软件库中的fans建立,properties,fan flow,Non-linear,load,将图4中的风机性能曲线加载进去。最终的热仿真模型如图5所示,网格划分采用Hexa unstructured网格类型,求解采用CFD求解器[4-5]。
为了比较风腔厚度对风冷散热系统性能的影响,仿真计算中设计了12个不同的腔体厚度尺寸,分别为6,10,14,18,22,26,30,34,38,42,46和50 mm。常压条件下,环境温度为55℃。按图5的仿真模型,分别对上述12个不同腔体厚度d的情形进行仿真计算,比较不同d下的风机风量、风机的全压和发热元件的最高温度,从而得出风冷系统的散热性能对比结果。
图5 热仿真模型图
首先是风机风量的比较,计算结果表示成风机的风量V随着风腔厚度d变化的关系曲线图,如图6所示。当风腔的厚度为6 mm时,风机的风量约为67 m3/h,当风腔厚度为18 mm时,风量达到了112 m3/h,增加了70%,再继续增加风腔厚度时,风量的增幅趋于平缓,之后风量的变化趋势出现一个拐点,风量的最大值出现在风腔厚度为30 mm时。可见,当风腔厚度较小时,风腔厚度的变化对风机的风量有明显影响,当风腔厚度达到30 mm时,再继续增加风腔厚度,风机的风量反而略有下降。
图6 风机的风量随d的变化曲线
图7是风机的全压P随着风腔厚度d变化的曲线图。对比图6和图7可见,风机的风量和全压随着风腔厚度d的变化趋势是一致的,都是在d=30 mm处出现拐点,在d=40 mm处风量减小,全压增大。但风机风量和全压的变化幅度不一样,风机全压值的变化幅度明显高于风机风量的变化幅度,这是因为风腔厚度d分别为30 mm和40 mm时,风机的性能处于图4中的3段区。
图7 风机的全压P随d的变化曲线
图8为风腔厚度不同时发热元件的最高温度值变化图,温度在3℃的范围内变化,它的变化规律大体上是随着风机风量的增加而降低的,当风腔厚度较薄时,增加风腔的厚度,风机的全压降低,风量显著增加,发热元件的温度也明显下降。原因主要是风腔厚度较小时,风腔的腔体截面积收缩产生的局部阻力过大,而局部阻力是组成风机全压的一部分,导致风机全压较大,使得风机的效率低下;随着风腔厚度的增加,局部阻力减小,风机全压也随之减小,风机性能提高,风量增大,当风腔厚度增加到一定程度时,由于风腔的结构突变产生的局部阻力不再下降,而沿程阻力的影响又较小,故风机的风量变化不明显。
图8 不同d时元件的最高温度变化
发热元件的温度拐点出现在风腔厚度为34 mm处,与风机风量的拐点不同步。图9是风腔厚度为34 mm时发热元件的温度分布云图,由图可见,温度最高的发热元件在图9中用圆圈示出,位于天线单元的中部最右侧,此处发热元件密集,与上下两侧散热器的距离最大,因此温度最高。结合图8和图9,风机风量于发热元件温度的拐点不同步的原因,可能是风腔厚度为34 mm时,流过散热器的气流均匀性提高,散热器右侧的散热效果增加所致。
图9d=34 mm时发热元件的温度分布云图
可见,风腔的厚度过小会影响风机的性能,风腔的厚度增加到34 mm之后,再继续增加,并不能明显提高散热性能,所以,风腔的厚度在散热设计中应加以重视,将风腔的厚度设计在合理范围内,能有效提高散热效率。
风腔的厚度是影响强迫风冷系统性能的重要因素之一,在结构设计中,为了减小结构件的尺寸,风腔厚度对散热性能的影响容易被忽视,往往把风腔的厚度设计得过小。通过仿真计算并进行对比分析发现,在风冷散热系统中,风腔厚度过小,导致腔体截面积收缩产生的局部阻力过大,风机全压升高,致使风机的性能受到明显抑制,系统散热性能较差;风腔的厚度也并不是越大越好,它存在一个合理的范围,达到一定值之后,再继续增加,风机的性能不会提升,反而会下降。在工程设计中,推荐此类风冷散热结构的风腔厚度d的取值一般不小于16 mm,不大于40 mm。
参考文献:
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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)
Abstract: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.
Key words:radar;forced air cooling;wind cavity;thermal design
中图分类号:TN957.2
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)02-0225-04
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.02.020
收稿日期:2016-09-26;
修回日期:2016-12-06
作者简介:
刘 巍男,1980年出生于湖北天门,博士,中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师,主要从事雷达电子设备环控设计工作。
E-mail:liuwei20050901@163.com
程 林男,1979年出生于河南南阳,硕士研究生,2004年毕业于合肥工业大学,主要从事雷达结构力学仿真工作。