2023年12月3日发(作者：贺智志)
某机载密封风冷机箱散热设计
朱恒义;关学刚
【摘 要】机载设备使用环境恶劣,发热量大,针对这种情况,开展气密性密封机箱设计.重点在于在整个散热过程中,气流只通过风道流通,不与模块的电子元器件直接接触,使机箱内部与外界完全隔离,达到全密闭空间.仿真分析用于验证散热结论,优化模块布局,从而达到设计要求.
【期刊名称】《舰船电子对抗》
【年(卷),期】2019(042)002
【总页数】3页(P115-117)
【关键词】密封机箱;散热;仿真分析
【作 者】朱恒义;关学刚
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海201802;中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海201802
【正文语种】中 文
【中图分类】TN02
0 引 言
机载密封风冷机箱应用于舰载机上，长期工作在海洋环境下，且时常不间断工作，为使其在海洋恶劣的环境下能够正常工作，需对机箱采取密封设计。机箱作为机载设备，重量要求比较苛刻，必须进行轻型化设计。机箱内部是由高功耗电子元器件组成的，发热量大，随之带来的就是元器件在密封环境下的散热问题。单个发热器件散热效果直接影响设备性能及使用寿命[1]，因此，必须对机箱进行合理优化设计，使其满足海洋性环境(主要为酸性盐雾及酸性大气)要求。
1 整机设计
1.1 机箱结构设计
机箱采用强迫风冷散热形式，整体框架及风道采用焊接形式，前后面板与焊接箱体配合处设计有密封圈安装槽，采用双峰型导电密封圈进行密封，从而形成全密闭机箱形式。
机箱上顶板和下底板直接设计了风道，风扇装于机箱顶部，机箱内部上顶板及下底板处设计多对插槽，每对插槽上安装1只模块，模块通过楔形锁紧装置固定于插槽中，模块热量通过散热板传至风道板，再通过强迫风冷对流方式将热量带走，每只风道可用于2只模块的散热，机箱结构形式如图1所示。在整个散热过程中，气流只在风道内流通，不与模块的电子元器件直接接触，使机箱内部与外界完全隔离，达到全密闭空间，从而实现防尘、防腐要求。
图1 机箱设计示意图
1.2 模块设计
散热冷板根据印制板上的芯片分布设计，芯片壳体通过柔性导热衬垫，贴于冷板凸台上，芯片产生的热量通过凸台直接传至冷板，再由冷板传至风道，以强迫风冷的方式将热量带走，模块散热示意如图2所示。
图2 模块散热示意图
2 热分析
机箱总功耗为509 W，其中模块与风道排布见表1及图3，其中有2组模块共用1个风道，以最大化实现重量控制，提高散热效率。
表1 机箱模块功率分布序号名称数量模块宽度设计热功耗备注1模块1124 mm10 W2模块2124 mm35 W加散热风道3模块3124 mm10 W4模块4124
mm40 W加散热风道5模块5124 mm30 W6模块6130 mm45 W加散热风道7模块7124 mm30 W8模块8124 mm60 W9模块9124 mm66 W共用1个散热风道10模块10124 mm64 W加散热风道11模块11124 mm预留槽位12模块12124 mm74 W13模块13124 mm45 W共用1个散热风道14模块14124
mm预留槽位总计14509 W
图3 机箱模块与风道排布示意图
整个设备设计完成后，使用ICEPAK软件对机箱进行热分析[2]，环境温度为70℃。机箱冷却工作模式见图4，机箱内温度分布见图5，关键模块温度分布见图6及图7。
图4 机箱冷却模式示意图
图5 机箱温度分布示意图
图6 功能模块温度分布示意图
图7 电源模块温度分布示意图
由图6及图7可知，功能芯片壳温为84 ℃，电源模块温度最高为88.7 ℃，根据工业级芯片标准，功能芯片最大允许壳体温度为85 ℃，电源模块允许温度90 ℃，设计满足要求。
3 结果分析
本文设计的风冷密封机箱，在高温箱内能够正常工作，达到了以下功能：
(1) 高温环境下，热量通过冷板由强迫风冷的方式带走，至模块散热凸台，最大温升18.7 ℃，设计时需根据各芯片的耐温能力，合理优化模块布局；
(2) 机箱内增加或减少模块，需通过热分析仿真验证散热的可行性，合理地排布风道。
4 结束语 该机箱已经过气密性检验，并通过了高温试验。通过强迫风冷散热方式解决了密封机箱大功耗散热问题，提高了设备在海洋工作环境下的可靠性，降低了维护费用，通过软件在产品设计阶段对其进行热仿真分析，合理优化设计机箱风道排布，使模块工作温度在允许的温度范围内，从而减少设计、生产、再设计和再生产的周期，提高产品的一次性成功率，同时为该类别的密闭机箱设计提供了参考，具有较好的指导意义。
参考文献
【相关文献】
[1] 余见祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[2] 张小旭.一种全密闭电子设备机箱的热设计[J].无线电工程，2018,48(5)：424-427.
2023年12月3日发(作者：贺智志)
某机载密封风冷机箱散热设计
朱恒义;关学刚
【摘 要】机载设备使用环境恶劣,发热量大,针对这种情况,开展气密性密封机箱设计.重点在于在整个散热过程中,气流只通过风道流通,不与模块的电子元器件直接接触,使机箱内部与外界完全隔离,达到全密闭空间.仿真分析用于验证散热结论,优化模块布局,从而达到设计要求.
【期刊名称】《舰船电子对抗》
【年(卷),期】2019(042)002
【总页数】3页(P115-117)
【关键词】密封机箱;散热;仿真分析
【作 者】朱恒义;关学刚
【作者单位】中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海201802;中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海201802
【正文语种】中 文
【中图分类】TN02
0 引 言
机载密封风冷机箱应用于舰载机上，长期工作在海洋环境下，且时常不间断工作，为使其在海洋恶劣的环境下能够正常工作，需对机箱采取密封设计。机箱作为机载设备，重量要求比较苛刻，必须进行轻型化设计。机箱内部是由高功耗电子元器件组成的，发热量大，随之带来的就是元器件在密封环境下的散热问题。单个发热器件散热效果直接影响设备性能及使用寿命[1]，因此，必须对机箱进行合理优化设计，使其满足海洋性环境(主要为酸性盐雾及酸性大气)要求。
1 整机设计
1.1 机箱结构设计
机箱采用强迫风冷散热形式，整体框架及风道采用焊接形式，前后面板与焊接箱体配合处设计有密封圈安装槽，采用双峰型导电密封圈进行密封，从而形成全密闭机箱形式。
机箱上顶板和下底板直接设计了风道，风扇装于机箱顶部，机箱内部上顶板及下底板处设计多对插槽，每对插槽上安装1只模块，模块通过楔形锁紧装置固定于插槽中，模块热量通过散热板传至风道板，再通过强迫风冷对流方式将热量带走，每只风道可用于2只模块的散热，机箱结构形式如图1所示。在整个散热过程中，气流只在风道内流通，不与模块的电子元器件直接接触，使机箱内部与外界完全隔离，达到全密闭空间，从而实现防尘、防腐要求。
图1 机箱设计示意图
1.2 模块设计
散热冷板根据印制板上的芯片分布设计，芯片壳体通过柔性导热衬垫，贴于冷板凸台上，芯片产生的热量通过凸台直接传至冷板，再由冷板传至风道，以强迫风冷的方式将热量带走，模块散热示意如图2所示。
图2 模块散热示意图
2 热分析
机箱总功耗为509 W，其中模块与风道排布见表1及图3，其中有2组模块共用1个风道，以最大化实现重量控制，提高散热效率。
表1 机箱模块功率分布序号名称数量模块宽度设计热功耗备注1模块1124 mm10 W2模块2124 mm35 W加散热风道3模块3124 mm10 W4模块4124
mm40 W加散热风道5模块5124 mm30 W6模块6130 mm45 W加散热风道7模块7124 mm30 W8模块8124 mm60 W9模块9124 mm66 W共用1个散热风道10模块10124 mm64 W加散热风道11模块11124 mm预留槽位12模块12124 mm74 W13模块13124 mm45 W共用1个散热风道14模块14124
mm预留槽位总计14509 W
图3 机箱模块与风道排布示意图
整个设备设计完成后，使用ICEPAK软件对机箱进行热分析[2]，环境温度为70℃。机箱冷却工作模式见图4，机箱内温度分布见图5，关键模块温度分布见图6及图7。
图4 机箱冷却模式示意图
图5 机箱温度分布示意图
图6 功能模块温度分布示意图
图7 电源模块温度分布示意图
由图6及图7可知，功能芯片壳温为84 ℃，电源模块温度最高为88.7 ℃，根据工业级芯片标准，功能芯片最大允许壳体温度为85 ℃，电源模块允许温度90 ℃，设计满足要求。
3 结果分析
本文设计的风冷密封机箱，在高温箱内能够正常工作，达到了以下功能：
(1) 高温环境下，热量通过冷板由强迫风冷的方式带走，至模块散热凸台，最大温升18.7 ℃，设计时需根据各芯片的耐温能力，合理优化模块布局；
(2) 机箱内增加或减少模块，需通过热分析仿真验证散热的可行性，合理地排布风道。
4 结束语 该机箱已经过气密性检验，并通过了高温试验。通过强迫风冷散热方式解决了密封机箱大功耗散热问题，提高了设备在海洋工作环境下的可靠性，降低了维护费用，通过软件在产品设计阶段对其进行热仿真分析，合理优化设计机箱风道排布，使模块工作温度在允许的温度范围内，从而减少设计、生产、再设计和再生产的周期，提高产品的一次性成功率，同时为该类别的密闭机箱设计提供了参考，具有较好的指导意义。
参考文献
【相关文献】
[1] 余见祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[2] 张小旭.一种全密闭电子设备机箱的热设计[J].无线电工程，2018,48(5)：424-427.