（机械工程专业论文）机载雷达液冷机箱热性能研究.pdf

分类号一 u d c 拄1 密级 。啷嬲y 2 2 7 5 3 2 3 学位论文 机载雷达液冷机箱热性能研究 刘家华 指导教师姓名至亟叠割丝撞 奎塞盎盟高墨 申请学位级别墨猩塑专业领域 扭拭墨猩 论文提交日期2 q 1 2 ：q 垒论文答辩日期 2 q 1 2 ：q 鱼 学位授予单位壶宝堡王盘堂 答辩委员会主席 评阅人 2 0 1 2 年6 月同 注1 ：注明国际十进分类法u d c 的类号。 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知， 在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学 位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出 的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 们晦6 月f 汨 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借 阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机 构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内 容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：迎 海6 月旧 工程硕士学位论文机载雷达液冷机箱热性能研究 摘要 我国目前机载雷达机箱设计一般执行a t r 标准。a t r 是机载电子设备一般 机箱的基本尺寸，国军标g j b 4 4 1 8 8 机载电子设备机箱、安装架的安装形式 和基本尺寸中对它进行了规定，机箱的宽度系数是以l a t r 宽度的1 8 ( 即 2 5 4 n u n ) 为宽度基本单元，在l a t r 宽度基础上，划分或组合而成。我所机载 雷达机箱中常用的尺寸为l a t r 和2 a t r 两种。 随着科学技术的发展，雷达电子设备的组装密度越来越高，带来的直接影 响是功率密度也越来越大，传统的自然散热和强迫风冷己不能满足机载雷达电 子设备的散热要求。在机载雷达中，由于环境条件恶劣，雷达电子设备必须在 5 5 计8 5 的环境温度下正常工作，这对结构散热设计提出了更高的要求。为 了解决日益突出的雷达电子单元的散热矛盾，本文对采用液体进行冷却的机箱 的热性能进行了研究。 根据液冷机箱的结构，其散热能力一般取决于各个冷板的散热性能，对不 同结构形式的液冷冷板进行了计算分析，分别采用传统的经验计算和有限元对 冷板的热性能进行分析，对两种分析方法进行比较，并加工了试验样件进行测 试，对试验测试结果与分析计算进行了分析对比，找到了符合工程实际应用的 冷板结构，使得液冷机箱的热性能达到最大，并得出在今后工程应用中提高效 率和精确度的热性能仿真分析方法经验计算与有限元分析相接合分析法， 目前该冷板结构和设计分析方法已应用到我所的产品设计中。 关键词：a t r ，液冷，冷板，热设计 工程硕士学位论文 a b s t r a c t a t ri sab 雒ed h 姗s i o ns 舐e so fn o 珊a la 丽a l ( a i r ) n 撕g a t i o ne l e c 们n i c a l c 弱e i ti sf o 锄u l a t e db yi n t 锄a t i o n a lm i l i t a 巧s t a n d 锄d ，w l i c hi sg j b 4 4 8 - 8 8 “f i 锄培 f o r i i l 锄d b a s i cd i m 锄s i o 璐f o r 撕o n i c sc 笛骼姐dr a c k i n g 1 h ec o e m c i e n to fc a s e 、) l ，i d t hi sl 8a t r ，aw i d t hu 1 1 i t ，( 2 5 4 m m ) ni sd i v i d e do r 嬲s 锄b i e do n ab a s eo fo n la t rw i d m i nm yi n s t i t u t et w od i m e n s i o nc a l s e sa r eu s u a l l yu s e d ，w h i c ha r ela t r a i l d2 a t r w ，i im em i v e l o p m e n to fs c i e n i c et e c t l r l o l o g y t _ h ed e n s i t yo fr a d 盯e l e c t r o n i c e q l l i p l 嘲ti sb 姗i i l gh i g h e r 锄dh i g h 既t l l i sc 邮岱t l 圮l 锄a ld e 璐i t yl l i g i 懈觚d h i 酉婀d i 删虹t f a d i 6 0 n a ln a t u 他s c a t t e r 舳df o r c ea i rc o o i i i l ga r c ta b l et o 向l f i l l m es c a t 眩n e 。do f a e r 0r a d a re l 咖n i c 印p m e n t h l 勰r 0 豫d a r ，b e c 徽o f t h eb a d c o n d i t i o nt l l er a d a re l 铭呐n i ce q u i p m c n tm u s tw o r kb e 附e 胁5 5 计8 5 1 1 1 i sp u t s 姗a r d l i g h e rr e q u i f e l n e n to fs t n l c t l l r et l l 咖l a ld e s i g n 。i no r d e rt or e s o l v et h e i n ：c r 饬s i n gs c a ：t t e rc o n t 础i c t i o no fr a d a re l e c t r o n i cu n i t ，t h i sp a p 惯r e s e a r d h 髓t _ h e t l l 锄n a ja b i l 时o fl i q u i dc o o l i n gc 嬲e o nm eb 嬲eo f 佗曩t i l 孢o fla n 己a n d2 a t rc a ，m em e m l a la b i l i t yo fl i q u i d c o l o l i n gc 觞ei sd e c i d i 甜b yt l l ec o o l i n gp l a t er a d i a t o r i nm i sp a p e r ，d i f 融e n ts t ：n l c t u r e l i q u i dc 0 0 l i n gp l a t e 珀d i a t o ri sd i s s c l l s e d t r a d i t i o n a le x p 嘶e n t i a lm 咖o d 锄df i n i t e e l e m 饥ta n a l ”i c a lm e m o da r eu s e dt o 锄a l y s et 1 1 ea b i l i t yo fc 0 0 i i n gp l a t er a d i a t o r 锄d c 0 m p a r e d a n das a m p l ep a ni sm a n u f - a c t i l r e dt om e a l s u r et h e n n a la b i l i t y m e a l s u r e d f e s u l ti sa n a l y s i s e dw i t hc a l c u l a t e dr e s u l t as t r u c t u r ei sf o u n dt oa c c o r dw i t h e n 舀n e e fa p l i c a t i o n ，w h i c hm a k e st h et h e n l l a la b i l i t yt h eh i 曲e s t p r e a s e n t l yt h e s t n l c t u r ei su s e di no u rp r o d u c t s a r e n i m eam e t h o d 、7 l ，_ h ic ! h 嬲s o c i a t e se 印嘶e n t i a l m e t l l o dw i t hf i n i t ee l e i i l e n tm e m o di sa c q u i r e di n 酉n e e ra p l i c a t i o nt oi n c r e a s e e 硒c i e n c ya n dp r e c i s i o n k e y w o r d s ：a t r ，c 砌i n gw i t h1 i q u i d ，c 0 0 1 i n gp l a t er a d i a t o r ， t h e 咖a 1d e s i 印 工程硕士学位论文 机载雷达液冷机箱热性能研究 目录 摘j 9 暮。】【 a b s t r a c t 。i i 目录。 图标目录v l 绪论l 1 1 机载雷达机箱简介l 1 2本文的研究背景l 1 2 1 国外电子设备冷却现状2 1 2 2 国内电子设备冷却现状4 1 3 本文的研究意义4 1 4 本课题的研究内容5 2电子设备冷却方法原理6 2 1 引言6 2 2热交换的基本定律6 2 2 1传导换热6 2 2 2对流换热7 2 2 3 辐射换热8 2 2 4散热设备及方式8 3液冷机箱设计1 1 3 ，l 引言1 1 3 2 机载雷达机箱结构1 2 3 3 液冷冷板传统设计步骤15 3 4 液冷冷板计算分析1 9 3 4 1 强迫对流层流管内流2 0 3 4 2 强迫对流紊流管内流2 2 3 4 3 强迫对流过渡流管内流2 3 3 5液冷冷板计算2 3 机载雷达机箱热性能研究 工程硕士学位论文 4 5 3 6 并行通道冷板热设计计算2 8 3 6 1冷板流道结构2 8 3 6 2经验计算结果2 9 3 7 本章小结3 4 液冷机箱热仿真分析3 5 4 1 有限体积法及控制方程3 5 4 2建立冷板有限元模型3 8 4 3 有限元分析结果4 0 4 4 本章小结4 5 试验分析4 6 5 1 试验原理4 6 5 2试验方案4 7 5 2 1 试验设备条件：4 7 5 2 2试验环境条件4 8 5 2 3串行通道冷板4 8 5 2 4 并行通道冷板5 0 5 3 试验数据与处理5 0 5 3 1 串行通道冷板测试记录5 0 5 3 2 并行通道冷板测试记录5 2 5 3 3试验数据处理5 4 5 4分析对比5 6 6总结与展望5 8 6 1 总结5 8 6 2展望5 8 致谢6 0 参考文献61 i v 图表目录工程硕士学位论文 图2 2 1 图3 2 1 图3 2 。2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图3 3 1 图3 3 2 图3 5 1 图3 5 2 图3 5 3 图3 5 。4 图3 6 1 图3 6 2 图3 6 3 图4 1 1 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 3 1 图4 3 2 图4 3 3 图4 3 4 图4 3 ，5 图表目录 冷却形式的选择l o 2 a t r 机箱不同视角的透视图1 3 1 a t r 机箱不同视角的透视图1 3 l a t r 结构安装图1 4 l a t r 热流路径示意图1 4 l a t r 机箱平面布局图1 5 热设计流程图。1 7 换热系数计算流程图一1 8 热设计软件计算流程图一2 4 液冷冷板热设计计算g u l 2 5 串行通道一2 8 并行通道2 8 热设计经验计算界面。2 9 冷板散热性能与流道槽高y 、流道数量之间的关系曲线3 3 冷板压力损失与流道槽高y 、流道数量之间的关系曲线3 3 控制体3 5 冷板三维仿真模型图3 8 冷板有限元网格图3 9 串并行混合流道冷板外形图一4 0 并行流道冷板外形图一4 0 并行流道冷板外形图4 0 并行流道冷板外形图4 0 流场温度分布图4 2 流场温度分布图。4 2 流场温度分布图。4 3 流场温度分布幽一4 3 流场温度分布图4 3 v 机载雷达液冷机箱热性能研究图表目录 图4 3 6 流场温度分布图4 3 图4 3 7 流场温度分布图4 3 图4 3 8 流场温度分布图4 3 图4 3 。9 流场温度分布图4 4 图4 3 1 0 流场温度分布图4 4 图4 3 1 l 流场温度分布图4 4 图4 3 1 2 流场温度分布图4 4 图4 3 1 3 冷板热性能流道槽高之间的关系曲线4 5 图5 1串行通道冷板结构图4 6 图5 2 1 试验框阔4 9 图5 3 1 冷却液温升与流量之间的关系曲线。5 5 图5 3 2 壳温与流量之间的关系曲线5 5 表1 2 1u t m 热性能对比2 表2 2 1 表面传热系数的一般范围7 表3 4 1 ：强迫对流状态的判断。2 0 表3 。5 1 液冷冷板热设计计算主要控f ， ：属性一2 5 表3 6 1 ：通道数量槽宽x 关系表2 9 表3 6 2 冷板热性能、压力损失流道之间的关系表3 0 表4 3 1 冷板流场热性能一结构关系4 2 表5 3 1 功耗、电压对应表5 0 表5 3 2 流量、功耗进出口液温表5 0 表5 3 3 流量、功耗钡i 试点温度5 0 表5 3 4 流量、功耗颡4 试点温度5 1 表5 3 5 流量、功耗一测试点温度5 1 表5 3 6 流量、功耗测试点温度一5 l 表5 3 7 流量、功耗测试点温度一5 2 v l 图表目录 工程硕士学位论文 表5 3 8 流量、功耗狈4 试点温度一5 2 表5 3 9 流量、功耗进出口液温表一5 2 表5 3 1 0 流量、功耗钡4 试点温度5 3 表5 3 1 l流量、功耗一测试点温度5 3 表5 3 1 2 流量、功耗一测试点温度5 3 表5 3 1 3 流量、功耗一测试点温度5 4 表5 3 1 4 流量、功耗一测试点温度5 4 工程硕士学位论文 机载雷达液冷机箱热性能研究 1 绪论 1 1 机载雷达机箱简介 机载电子设备一般机箱和安装架的基本尺寸在国军标g j b 4 4 1 8 8 机载电 子设备机箱、安装架的安装形式和基本尺寸中对它进行了规定，机箱的宽度 系数是以l a t r 宽度的l 8 ( 即2 5 4 m m ) 为宽度基本单元，在1 a t r 宽度基础 上，划分或组合而成。 机载雷达作为机载电子设备的一部分，一般情况下都是根据国军标 g j b 4 4 1 8 8 进行设计的。机载雷达是一个复杂的系统，它由各个分系统组成， 作为外场可更换单元l r u ( l i n er 印l a c e a b l eu n i t ) 的各个分系统机箱尺寸，一 般情况下都必须满足g j b 4 4 1 8 8 。 1 2 本文的研究背景 随着科学技术的发展及用户对雷达性能的需求，雷达设备的组装密度越来 越高，功耗越来越大，对机载雷达而言，它不像地面雷达那样有宽裕的空间， 机载雷达的安装空间是一定的，所以机载雷达设备的热密度也越来越大，雷达 电子对散热的要求也越来越高；另外，由于机载雷达的使用环境很恶劣，为了 提高机载雷达电子设备的可靠性，一般不允许采用直接冷却方式，而采用间接 冷却方式，所以传统的间接风冷冷却方式已不能满足机载雷达电子设备日益增 长的对散热的需求。 电子技术及芯片制造工艺的发展，使得电子设备的热控制显得越来越重要。 在过去的几十年中。微处理上的晶体管或结点的数量以每6 年增加为1 0 倍的速 率稳步增长，尽管每个结点的功率也下降，但元件功率密度( 每平方厘米消耗 的瓦数) 为每三年翻一番。高温是引起电子元器件失效的致命因素，它会使元 器件性能降低，最终引起灾难性的失效。据估计，飞机所有的停飞约6 5 与电 子设备有关，而电子设备维修量的5 0 西o 与热管理问题有关【1 1 。在电子设备 中，元器件的环境温度升高1 0 时，失效率往往会增加一个数量级，这就是所 谓的“1 0 法则”【2 1 。 因而必须对电子设备进行有效的热设计，把元器件的环境温度控制在许可 的范围之内。 机载雷达液冷机箱热性能研究工程硕士学位论文 1 2 1 国外电子设备冷却现状 航空电子( i m a ) 系统在7 0 年代之前的设计方法为采用专用器件构成相互 独立各种分系统自下而上的方法。我们目前机载雷达系统采用的就是这种系统 结构形式。 随着微型芯片与数字化的发展，国内外i m a 系统的结构已向着信息综合化 的方向发展；随着飞机飞行环境复杂程度提高，m 执系统决定着飞机的飞行性 能，所以飞机的研制需将机载电子设备的配置考虑进来；但是飞机的安装空间 受限，而希望配置的外场可更换单元( l r u ) 的数量却越来越多；为了解决这 些矛盾，在八十年代，美国空军航空电子实验室曾提出：下一代系统综合验证 计划( a s d ) 和下一代系统航空电子计划( a s i ) ，合称“宝石柱 ( p a v ep i l l 盯) 计划。希望按系统工程统筹方法来设计i m a 系统，i m a 系统的结构开始由分立 结构变成按功能划分的部分综合结构。同时，他们也提出希望能实现资源共享 的模块化综合i m a 系统的概念，结构设计采用标准电子模块s e m 容错和重构 等技术【3 1 。随着超大规模集成电路v l s i 及高密度封装技术的发展，l l m 式系 统被外场可更换模块( l i 蝴) 式系统结构所代替的可能性越来越大，l l w 式 系统结构使系统的综合化程度进一步提高，原先单一功能的外场可更换单元由 按功能划分变成由外场可更换模块的基本功能划分，实现了一体化的概念，各 种资源共享，功能交联得以实现。 从航空电子发展史可以发现，随着数字芯片集成度不断提高，其结构由于 综合化要求从l r u 式到l r i _ l r m 式，已经发生了很大变化，如表1 2 1 所示。 表1 2 1l r m 热性能对比【4 1 ： i m a 系统 “宝石柱”计划“宝彳i 台”计划 通用蒹；鑫理机 i 乙一， 结构形式 l i m 冷却方式 u 蝴品种 芯片集成度 分删删二级虬r 高凹份氓黜凹 詈曼慧黧磐传导曩型苎黧粤柜传导冷戮寓慧蓑 冷却或强迫风冷 却或强迫风冷莓舅式一”“ 通用删有2 3 种洲要2 蓄椭靴个品种m _ e 最低较高最高 l r m 体系是当前国际上最为先进的一种体系，新一代航空电子系统结构的 工程硕士学位论文 机载雷达液冷机箱热性能研究 最大变革在于由标准电子模块s e m l r m 替代原先的l r u 标准机箱。正是由 于航空电子设备结构体系的改变，它在功能划分和资源共享方面正经历着巨大 变化，这些变化已明显提高了航空电子设备的兼容性、可靠性、维修性，并且 降低了设备的全生命周期成本p j 。 模块化的概念已被广泛应用在国外的电子设备中，从设备封装、接口和环 境的调节等标准化设计顶级开始应用，直到独立的电子功能级，这是新的硬件 基本构成。新系统的基本功能单元称为l i 蝴，l 啪在系统中不仅实现标准的 电子功能，而且支持标准的接口协议、标准的机械和热接口，及统一的测试和 维修总线接口【引。 美国德克萨斯仪器公司已开发出一种液冷模块封装结构，以满足新一代航 空电子系统的要求，这一技术现已成功地应用在新一代航空电子系统上。美国 f _ 2 2 飞机航空电子系统中的综合处理机就采用了l r m 结构体系，6 6 个l r m 安装在一个两层液冷安装箱内，其中液冷l r m 散热能力高达1 0 0 w 以上。到目 前为止，“现场可更换 模块的概念在国际上已得到广泛的应用。这一技术在当 前国内也受到了很大的关注【3 j 。 随着电子设备向多功能、微型化、高可靠方向发展，组成电子设备的元器 件、组件( 模块) ，从4 0 年代的电子管发展到了今天的超大规模集成电路，它的 热流密度已经到了1 0 0 w c m 2 。象这样高的热流密度，已远非用常规的冷却方式 所能解决。近年来，随着电子技术尤其是空载及机载电子设备的飞速发展，设 备的体积起来越小，而单位体积内产生的热量却在不断增加，这就使得其热设 计更加必要。所以，围绕电子设备的温升控制问题，日益显得突出【3 1 。 近年来热设计的研究工作，大体上包括基础性研究和工程应用研究这两个 方面。基础性的研究包括微型肋片式换热器的传热分析，新型冷却剂的特性， 接触热阻的理论研究，新型冷却方式( 喷射液冷、二相流冷却、微型热管传热 等) ，热设计软件的丌发，热设计标准的宣贯等一系列工作。这些针对热设计基 础研究工作的进展，促进了一批新颖、有效冷却方式在工程上的应用。尤其是 当前在高速、大容量电子计算机上采用的冷却方式，更具有代表性。如导热模 块( t c m ) 、液冷模块( l c m ) 、液冷基板( l c s ) 、喷射液冷模块、浸渍冷却、模块 级核沸腾换热等等新的冷却模块。正由于这些得力的冷却措施，才使这部分计 算机的可靠运行得到了保证【5 】。 机载雷达液冷机箱热性能研究 工程硕士学位论文 1 2 2 国内电子设备冷却现状 国内电子设备的冷却方式有风冷、液冷、热管等。飞机上应用最广泛的是 强迫风冷，由它自身环控系统提供冷却空气。同时也有采用浸渍冷却的，如发 射机中的高压电源采用的是甲基硅油灌封冷却【6 1 。飞机在飞行时的高度、温度 及湿度的变化范围很大，航空电子设备采用直接强迫风冷却的设备容易被潮气 所充塞。目前航空电子设备采用密封机箱将电子设备和冷却空气隔离开来，内 部热量通过热传导、对流换热和辐射换热方式传给机箱冷板，然后由对流、辐 射换热方式传到冷却空气中，最后借助飞机本身的环控气流将热量带走，这样 一种间接风冷的方法【6 】。 在所有电子设备中，航空电子设备的使用环境条件可以说是最恶劣的，通 常它们的使用环境温度从一5 5 + 7 0 。在我所机载雷达产品中，分系统机箱 常用的尺寸为l a t r 和2 a t r 两种。在冷却方式上，通常采用自然冷却和强迫 风冷。在强迫风冷方面我所在九十年代进行了比较详细的研究，已比较成熟。 强迫风冷技术已在机载雷达中得到广泛应用，我所的前辈对强迫风冷密封机箱 的散热性能进行了大量的研究，积累了丰富的经验。在载机环控系统提供的冷 却空气流量为9 0 k ( h k w ) 的条件下，la t r 、2 a t r 标准机箱采用间接风冷的散 热能力分别为1 0 0 w 和2 0 0 w 左右，由于强迫风冷散热能力的限制，当雷达电 子设备的功耗再增加时，作为机载雷达系统现场可更换单元的l a t r 、2 a t r 标 准机箱将不能满足雷达系统的散热要求。 由于技术的发展，航空电子逐渐由分立系统向综合化、模块化方向发展， 为了跟上国际先进技术，三四年前，我们对液冷现场可更换模块l r m 的热性能 进行了热性能的研究，单个模块的散热性能可达到l o o w 左右，我们目前正在 进行进一步的研究，采用更先进的元器件和组装技术，来达到液冷现场可更换 模块l r m 的要求，我所已开设了专门的课题来研究，新一代产品现场可更换模 块l r m 的方案。 1 3 本文的研究意义 雷达载机的不断更新，对我们结构热设计提出了新的要求。新一代的雷达 载机中，有一些载机的环控系统已不再提供冷却空气，而只提供冷却液。作为 风冷现场可更换单元l r u 与液冷现场可更换模块l r m 之间的过渡，现在采用 液冷现场可更换单元l r u 方案，我们正在研制的某产品将要采用液冷机箱，但 4 工程硕士学位论文 机载雷达液冷机箱热性能研究 是我们对液冷现场可更换单元l r u 的热性能了解还较少，为了摸清液冷l r u 的热性能，为今后工程应用提供可靠的经验数据及指导，提出本课题。因此， 对l a t r 、2 a t r 液冷机箱热性能的研究是很有必要，也是非常必须的。 1 4 本课题的研究内容 机载雷达机箱作为航空电子设备的基本外场可更换单元，它们的热性能的 优劣是影响航空电子设备可靠性的重要因素之一，机箱的热性能主要取决于机 箱两侧冷板的热性能，液冷通道冷板的结构形式有串行通道和并行通道两种结 构形式，在冷却液流量一定的情况下，串行通道冷板的热性能主要与流道的横 截面积和长度有关，并行通道冷板的情况比较复杂，它的热性能除了与流道的 横截面积、长度有关外，还与冷板内部并行通道的数量和流道进出口的结构形 式相关，本文主要针对并行通道冷板的热性能进行了研究。主要包括如下内容： 1 ) 根据热设计经验公式，采用传统的计算方法来研究并行通道冷板结 构对冷板热性能的影响，由于人工计算的工作量很大，为了提高效率，对冷板 的热性能进行优化设计，应用v i s u a l b a l s i c 把传统的手工计算编制成软件。 2 ) 采用热设计仿真软件f l o m e r n l 对冷板结构与冷板热性能之间的关系 进行了研究。 3 ) 通过试验手段来验证经验计算与仿真软件f i o t i l e 衄两者结果与实际 情况的差别，为今后指导工程应用提供指导方向。 机载雷达液冷机箱热性能研究 工程硕士学位论文 2 电子设备冷却方法原理 2 1 引言 电子设备冷却问题是工程领域热学中传热学部分，传热是物质在温度差作 用下所发生的热量传递过程。只要在一个物体内部或者一些物体之间存在温差， 热量就将以某一种，或同时以某几种方式自发地从高温处传向低温处。 由热力学第二定律可知，只要存在温差，就有热交换。热交换方式有传导、 对流、辐射，热量的流动可用下式来表示： q = 警 ( 2 1 1 ) 其中：q 传递的热流量w ： 4 丁温度差k ； r 热阻l u w 。 从式2 1 1 可得，在允许温差4 丁一定的情况下，结构热设计的热阻越小， 所能散发的热量就越大。因此，在结构热设计中，要尽可能的减小元器件散热 路经上的热阻。 热量传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。 2 2 热交换的基本定律 2 2 1 传导换热 热传导是一种原子、分子及自由电子等微观粒子的无序随机运动相联系的 物理过程。所有的物质，不论固相、液相还是气相，均具有一定的传导热量的 能力，尽管数值上相差悬殊。 可由傅立叶定律来定量地描述： d ：一允彳坐 ( 2 2 1 ) 一 出 其中： 兄传导热交换系数，简称导热系数w ( m k ) ； 彳传导换热面积m 2 ； 工程硕士学位论文机载雷达液冷机箱热性能研究 譬面积彳的法向温度梯度m 。 d x 物体的导热系数大；导热面积大；传热路径短可以增加传导散热。 2 2 2 对流换热 热对流是指当流体发生宏观移动时伴随流体质量迁移发生的热量转移。热 对流中伴随有导热的作用。对流换热是流体和固体表面之间的热量传递过程。 那么对流换热存在两种传热机理，一种是与流体宏观移动相联系的热对流：另 一种是在温差作用下流体分子的随机热扩散，即导热。只要流体中存在温差， 热对流必定导致流体的热量随着质量的迁移而迁移。 对流换热由牛顿冷却公式： q = m 一f ，夕 ( 2 2 2 ) 其中： j j l 对流热交换系数w ( m 2 k ) ： 彳对流换热面积m 2 ： 0 固体的表面温度； f ，流体的平均温度。 对流分为冷热流体的密度差而引起的冷热流动的自然对流和依靠外力造成 的流体内压力不同而引起的流动的强迫对流。表2 2 1 给出了气体，液体传热系 数的一般范副7 1 。 表2 2 1 表面传热系数的一般范围【1 0 】 对流换热问题的类型 j i l 【w m 2 k 】 式( 2 2 2 ) 并没有给出流体温度场与散热量之间的内在关系，它只是表面 传热系数的一个定义式，研究对流换热实际上可以归结为求解各种不同情况下 的对流换热系数j | l 值。一旦解出或者用实验手段测出j i l 值，再利用式( 2 2 2 ) 求 机载雷达液冷机箱热性能研究 工程硕士学位论文 热量是很容易的。 因此在进行结构热设计时，必须对结构进行优选设计，尽可能提高设备的 换热系数，以便降低元器件的壳温，提高电子设备的可靠性。 2 2 3 辐射换热 当导热体和邻近物体或空间存在温度差时，导热体以电磁波形式向外发送 热量，斯蒂芬波尔兹曼定律可表示其规律： q = 占加( f 一巧) ( 2 2 3 ) 其中： 系统的黑度； 仃黑体辐射系数仃量j 6 7 j d 一8w ( m 2 k 4 ) ： z 物体表面的温度k ； 咒环境温度k 。 有利于辐射的方法可由上式得出： ( 1 )发热物体表面黑度大，对外辐射能力强； ( 2 )发热物体表面粗糙度大，对外辐射能力强。 所以可以通过在散热器表面涂上有色漆，或者将热敏感元件做成光亮白色 的方法来减少散热器吸收辐射热。 2 2 4 散热设备及方式 所有电子设备，无论是小功率晶体管还是大功率速调管，都需要冷却，所 不同的是根据不同的耗散功率密度采用不同的冷却方法而已。 电子器件都有一定的效率，例如一个效率为5 0 的晶体管，如果输入功率 为2 0 w ，那么输出的功率只有l o w ，也就是说有1 0 w 的功率被转化为热量损 耗了。热总是从温度比较高的物体向温度比较低的物体传递。一个晶体管为了 将其内部产生的热量传递到周围环境中去，晶体管管壳温度必定要比散热器高， 而散热器温度又要比空气温度高。因此电子设备为了将内部产生的热量传递到 周围环境中去，电子器件的表面温度都必须上升到足够高的程度。 电子设备的冷却方法如果选择得不合理，不能将耗散的热量有效地排除出 去，那么电子器件就会因过热而遭到损坏。热性能设计的宗旨是尽可能减少电 子器件传热路径上的热阻，使所有电子器件的表面温度低于容许的温度极限， 保证器件能够长期、可靠地工作。热性能设计的关键在于是否选择了最佳的冷 工程硕士学位论文机载雷达液冷机箱热性能研究 却方式，从而使电子设备冷却效率高、成本低、占用空间小和操作维护方便。 在对电子设备进行热设计时可以选择以下冷却设备：散热器、强迫空气冷 却的风扇、冷板、热管、半导体制冷器和其它冷却设备。在进行实际热设计时 可根据实际情况来选择冷却设备。 散热器包括无源散热器和有源散热器，是通过增大辐射与对流的表面积来 改善电子器件的散热效果。散热器的材料选择导热性能良好的材料( 如铜、铝 等) ，这些材料的热阻很小，自然式散热器的散热片一般长而薄，风冷式散热 器的散热片般短而粗。 热耗体积密度和热阻是冷却方式选择的重要质量因数，热耗密度当电子设 备外表面面积使热阻受到限制时也作为副的质量因数。最佳冷却方式的选择必 须考虑设备的复杂程度、空间、功率、热环境、散热器及费用等诸多因素，同 时也应该和电子设备模拟热实验同时进行 电子设备常用的冷却形式选择的主要依据是热密度，一般可按图2 2 1 来选 择最佳冷却方法捧j 。 目前广泛使用的冷却方式有以下几种，按照传热效率递增的顺序排列为： 自然冷却、强迫风冷、强迫液冷和液体蒸发冷却。对于具有一定耗散功率的电 子设备来说，自然冷却所传递的热量最小，其次是强迫风冷，强迫液冷能传递 较大的热量，而蒸发冷却所能传递的热量最大。上述次序的排列顺序是按照冷 却系统技术复杂程度由高到低【8 】。 自然冷却结构非常简单，它只需要对合理选择的散热器上做一些旨在强化 自然冷却的热设计，而不要任何辅助设备。 强迫风冷由于需要增加冷却风机、设计通风管道、滤尘器和风压接点等， 所以强迫风冷比自然冷却要复杂一些。由于冷却空气容易获得，而且没有结冰、 沸腾、结雾、冷却液到处泄漏等问题，因此对中小功率电子设备采用强迫风冷 比较有利，特别是在干旱缺水地区、装车电子设备，强迫风冷方式就更有其独 到之处。对于耗散功率大于2 0 k w 的电子设备，或在发热密度和环境温度高的 场合，则不宜采用强迫风冷。因为此时过大的风量、风压会产生令人难以忍受 的噪声。 强迫液冷在设计时需要设置水泵和膨胀水箱，同时还要考虑冷却液的防冻 及金属的防腐等问题，其系统一般非常复杂，但它具有比较高的冷却效率。 9 机载雷达液冷机箱热性能研究 工程硕士学位论文 ( a ) 按体积热密度选择冷却形式 w c m l 薯开为4 0 1 c ) ( b ) 按表面热密度选择冷却形式 图2 2 1 冷却形式的选择 蒸发冷却具有很高的热转换效率，对发热密度高、功率特别大的设备特别 适用。尽管也有强迫液冷中的防冻、防腐问题，但无论从冷却效率还是从热能 回收、设备费用和维修等方面来看，蒸发冷却都优于强迫液冷。 总之，对电子设备进行热设计主要达到以下几个目的： ( 1 ) 元器件正常工作且系统可靠性指标要求得到满足； ( 2 )元器件工作温度低于元器件功能极限温度或允许的最高使用温度； ( 3 )冷却系统的可行性、维修性及可靠性满足要求，且低成本、高可靠 性。 热设计工作包括减少设备( 或元器件) 的内部和外部热阻，将热量迅速地 传到最终的散热器上。需要考虑热量以低热阻路径最有利地散发出去，保证设 备在规定的极限环境温度内长期可靠的工作，而就某特定的路径应当以某种传 热方式为主进行设计。决定设备内部热阻因素有：封装结构尺寸和材料。决定 设备外部热阻因素有：换热系数和有效的换热面积，其中换热系数由对流形式 及冷却剂决定。 1 0 工程硕士学位论文 机载雷达液冷机箱热性能研究 3 液冷机箱设计 3 1 引言 目前我所机载雷达机箱采用的冷却方式主要为自然冷却和强迫风冷，随着 技术的发展及雷达载机平台的变化，在我们接到的总体任务书中，对机箱的冷 却方式提出了更新的要求。总体任务书的要求如下： ( 1 )分机外形尺寸为：宽高深= 5 0 0 m m 1 9 4 m m x 3 5 0 m m 。 ( 2 ) 分机输入为三相4 0 0 h z ，相电压1 1 5 v ，总功耗2 5 0 w 。 ( 3 )分机采用强迫液体冷却，冷却液为蒸馏水，冷却液的进出口在机箱 后面，进出口采用自封接头。 ( 4 )系统分配给分机的冷却液的流量为6 0n ，冷却液的最高温度为 5 0 。 ( 5 ) 流量为6 0 胁时，分机内的流阻应小于3 5 唧c m 2 。 ( 6 ) 分机内冷却液的工作压力为k 妒矗，试验压力为1 5 k g 讹i n 2 ，保 持3 0 分钟分机不出现泄露现象。 ( 7 )分机内空间最高温度应小于8 5 ，元器件最大许用壳温： 电容器( 胆) ：t c 牛0 6 7 t m ； 电容器( 其它) ：t c 二卜o 7 2 t m 电阻器：t c 丰0 6 8 t m ； 半导体、集成电路：t c 牛o 6 t m j - ( q j c p ) ； 继电器、开关：t c 牛o 7 5 t m ： 变压器、线圈、组流圈：t c 牛t m 3 5 ； t m 为元器件制造厂给出的外表面或外壳最高许用温度单位为； t c 为元器件外表面或外壳最高许用温度单位为； q j c 为元器件制造厂给出的半导体内热阻单位为删； t m i 为元器件半导体结温单位为； p 为电路中元器件的额定耗散功率单位为w 。 该设备为航空电子设备，使用环境条件为机载条件，为了提高可靠性，机 箱采用的最佳冷却方式为密封机箱冷板结构。所有的电子设备安装在密封机箱 内，同时利用机箱的侧壁作为冷板，冷却介质经过冷板，通过对流换热把大部 机载雷达液冷机箱热性能研究 工程硕士学位论文 分热量带走。这种结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，是目前航空电子设 备采用的一种好方法。 机箱中绝大部分热量都通过机箱侧壁冷板对流换热带走，对2 a t r 机箱而 言，机箱有三块冷板，假设所有的热量都从冷板进行传递，且三块冷板的热量 分布均等，m t 机箱侧壁的尺寸为1 7