2024年5月8日发(作者：施妙芙)
高机动雷达密闭式机箱的热设计
赵文; 祝崇辉; 陈松松; 石同武
【期刊名称】《《机械与电子》》
【年(卷),期】2019(037)009
【总页数】4页(P12-15)
【关键词】高机动雷达; 密闭式机箱; 热设计; NX8.5
【作 者】赵文; 祝崇辉; 陈松松; 石同武
【作者单位】上海航天电子技术研究所 上海201109
【正文语种】中 文
【中图分类】TH122; TN957.8
0 引言
近些年来，高机动雷达需要适应各类岛礁环境，面临的热环境条件包括高温、低气
压、湿热、盐雾和霉菌等。雷达作为一个复杂的电子机械设备，其电子设备具有总
功耗高、热流密度大、体积小和重量轻等特点。同时有资料表明，随着电子设备结
温每增加10 ℃，其可靠性就会下降60%[1]，这些都给热设计带来了困难。加固
机箱适用于高机动性电子设备平台，要求适用于各类环境，包括岛礁环境。为了实
现电子设备的高可靠性，加固密闭式机箱(以下简称机箱)成为高机动雷达机箱结构
的首选。电子设备安装于机箱内部密闭的空间内，可以实现屏蔽电磁干扰，同时电
子设备的热量通过热传导至机箱风冷板，再通过对流换热将机箱风冷板热量带走
[2]。
在此，为了满足某高机动雷达的研制任务要求，开展了机箱的热设计工作，结合热
仿真分析及优化和高温试验验证其散热效果。
1 结构布局
为了满足高机动雷达系统的高温、低压、盐雾和霉菌等热环境条件，同时还需满足
电子设备壳温不超过85 ℃的要求，机箱结构为强迫风冷的密闭式机箱，如图1所
示。机箱上下板内嵌有风冷板，风冷板在机箱面板端设有进风口；机箱背板设有出
风口，在出风口安装轴流风机；机箱左右侧板设有几组外露直翅片，增加机箱自然
对流的散热面积。机箱上下板内侧设有多组卡槽，插件安装于卡槽内，通过楔形锁
紧条与机箱锁紧，实现插件与机箱的固连。PCB板上元器件的热量传导至插件冷
板，再传导至机箱，机箱再通过风冷板与冷空气进行强迫对流换热将热量带走。在
整个热循环过程中，机箱内插件不与外部环境接触，避免了盐雾、霉菌和潮湿空气
等恶劣环境对电子设备的危害；同时在机箱背部的电连接器和机箱前面板等位置做
密封处理，让插件与外部环境达到气密隔离[3]。
图1 机箱结构(隐藏前面板)
整个机箱内的热流传递路径如图2所示。在这个路径中热阻主要有：电子设备与
插件冷板之间通常贴有铟泊或导热垫，让二者紧密接触，从而控制和降低接触热阻；
插件与机箱通过楔形锁紧条，让二者紧密接触，考虑到插件需要经常插拔，不能贴
上导热垫，且插件边缘需要进行硫酸阳极氧化以达到耐磨防护，这让二者之间的接
触热阻不能忽略；冷空气流经机箱风冷板发生强迫对流换热时的对流热阻。在整个
机箱的热设计中，控制或降低后2项热阻成为机箱热设计的关键。
图2 机箱内热流传递路径
2 热设计
机箱内共有8个插件，总热耗为280 W，在环境温度为55 ℃时，插件壳温不高
于85 ℃。考虑到热量集中效应，将电源插件放置在最边缘；2个热流密度最高的
插件之间空出2组卡槽，如图1所示。
2.1 插件冷板的设计
插件冷板均采用铝合金-6061材料，导热系数198 W/(m·K)。插件冷板的主要作
用为提高电子设备环境适应性：热传导作用，即将电子设备的热量快速传导至插件
冷板两侧，避免热量堆积效应，引发电子设备过热；防护和固定作用，即电子设备
通过紧固件安装于插件冷板上，提高插件的力学性能，与机箱装配达到与外界空气
隔绝的目的。
考虑到散热方式为强迫对流，对每个插件的热流密度进行复核计算，其中数字信号
插件、数据存储插件最大热流密度分别为2 W/cm2，6 W/cm2。数据存储插件最
大热流密度大于5 W/cm2，不可采取风冷的散热模式，在其插件冷板内部布置热
管，如图3所示，将局部大热耗迅速传导至冷板各处，达到降低热流密度的效果
[4-5]。
图3 数据存储插件冷板
2.2 插件冷板与机箱之间的接触热阻
插件通过楔形锁紧条固定安装在机箱导轨内，安装结构如图4所示。两者之间接
触的表面很难完全贴合或理想光滑，即为不完全贴合接触面，因此热传导的过程中
必然存在接触热阻。不完全贴合接触面的接触热阻Rj主要由微接触热阻Rs、宏接
触热阻RL、微间隙热阻Rg和宏间隙热阻RG决定[6]，具体公式为
(1)
图4 插件安装结构
接触界面热流量公式为
Q=KcAa(t1-t2)
(2)
Q为热流量；Kc为接触传热系数；Aa为近似接触面积；t1，t2分别为表面1和
表面2接触界面的温度。
虽然对相同结构的接触热阻可以根据稳态热导率测试标准ASTM D5470，测得
Rj=0.000 246 K·m2/W，但在工程中很难确定接触面积Aa的值，无法定量计算
出接触面之间的温差。故为了减少接触热阻，可提高接触界面表面的平面度、清洁
度和界面之间的接触压力。根据现有类似相同结构及热流量实测出接触界面温差为
3 ℃，可以作为下一步热设计的经验参考值，此值可根据后续试验测试进行修正。
2.3 机箱风冷板设计
强迫对流换热公式为
Q=hA(ts-ta)
(3)
Q为机箱内的热负荷；h为对流换热系数，按照经验值估算为45 W/(m2·K)；ts
为冷板翅片温度；ta为流经冷板翅片空气的温度。
在工程经验中，取ts-ta为20 ℃，计算出将机箱内热量带走所必需的冷板翅片面
积A=0.311 m2。根据机箱结构布局，分为上下2块风冷板，考虑设计冗余量，
可初步设定翅片长度为200 mm，高度为9.5 mm，厚度为1 mm，翅片间距为
2.5 mm，共有翅片100组。
2.4 风机选型及布局
传热平衡方程为
Q=cpρQv(Tout-Tin)
(4)
Q为机箱内的热负荷；cp为空气比热容，当温度为55 ℃时，取1 005 J/(kg·K)；
ρ为空气密度，取1.076 kg/m3；Tout为出口空气温度；Tin为进口空气温度。
在工程经验中，取Tout-Tin为10 ℃，计算出将机箱内热量带走所必需的通风量
为93.2 m3/h。考虑设计30%冗余量，机箱所需通风量为120 m3/h。根据机箱
的外部尺寸要求，单侧通风量为60 m3/h，因此采用4个EBM-papst 3656并联
方式排布，如图1所示。
3 热仿真优化
机箱、插件三维设计都采用NX8.5，在此基础上直接采用NX8.5高级仿真模块中
的NX THERMAL/FLOW求解器，应用耦合热流分析类型对机箱进行整体热仿真，
环境温度为55 ℃，将风机EBM-papst 3656的风扇曲线作为出口流的边界条件
[7]。
将机箱风冷板、插件冷板单独出来，再对机箱和插件PCB、冷板模型进行理想化
几何体设计，合理简化，生成符合在CAE环境下满足热分析要求的CAD模型。
在插件冷板与机箱导轨间设定界面热阻，将热负荷加载于各电子设备上。设定机箱
壳体温度80 ℃为目标值，将机箱风冷板翅片的厚度、翅片组数作为设计变量值，
进行热流耦合仿真优化。
当仿真优化报错时，在保持风机长宽方向尺寸的条件下，即保证机箱整体安装空间
尺寸的条件下，选用EBM-papst AC3200 JH风机的风扇曲线作为出口流的边界
条件，再次进行仿真优化。
机箱温度云图如图5所示。
图5 机箱温度云图
在冷板翅片厚度0.5 mm和间距2.5 mm的条件下，机箱内壳温最高出现在数字
信号插件上，温度为79.58 ℃，低于85 ℃的设计要求。机箱的风道阻力为100
Pa，4个风机并联排放通风量为240 m3/h。
4 高温试验
将机箱放置于55 ℃的环境试验箱中，机箱稳定工作4 h达到热平衡后，采用红外
线测温仪、热电偶2种方式配合进行测温。分别对2种风机进行测试，各个插件
最高壳温结果如表1所示。由表1可知，2种风机都能满足热设计要求；在使用
风机EBM-papst AC3200 JH条件下，最高壳温有明显改善，与仿真结果的趋势
相同，两者最高壳温也相近。并测量各插件楔形锁紧条两边接触面的温度，计算出
差值为2.2～3.2 ℃之间，经验值3 ℃也进一步得到了验证。
表1 高温试验插件壳温测试结果 ℃插件位号插件最高壳温风机型号EBM-papst
3656风机型号EBM-papst AC3200
JHA179.872.5A280.671.3A375.771.1A483.279.7A580.172.6A669.565.5A768.
365.0A872.767.2
5 结束语
为了满足高机动雷达电子设备所处恶劣的热环境条件，对加固机箱进行了密封式外
部强迫风冷方案的热设计工作。通过热设计计算和热流密度分析，合理对高热流密
度的插件冷板布置热管，再结合工程经验值选取合适的风机；结合热仿真优化分析，
优化机箱风冷板参数和风机型号，最后通过高温试验测试验证，表明该方案可以满
足电子设备壳温低于85 ℃的设计要求。同时该密闭机箱通过盖板与箱体之间的密
封措施，实现电磁屏蔽性能，使机箱内电子设备能在较复杂的电磁环境下正常工作。
该方法可提高加固机箱的环境适应性和可靠性，解决机箱在整体结构布局中的局限
性。与此同时，若机箱风冷板换成水冷板，可以为更高热流密度的电子设备提供散
热需求。可见该方法为后续各类密闭机箱的热设计，提供了参考和借鉴。
参考文献：
【相关文献】
[1] Nelson L A, Sekhon K S, Fritz J heat pipe cooling of semiconductor
devices[C]∥Proceedings of the 3rd International Heat Pipe Conference，1978: 373-376.
[2] 段生记,张敏强.电子机箱抗恶劣环境热设计方法[C]//2009年机械电子学学术会议论文集.太原：
中国电子学会电子机械工程分会,2009:349-355.
[3] 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.
[4] 陈登瑞,姜笃山,赵文虎.某高热密度密闭机箱设计[J].电子机械工程,2013,29(3)：5-7,20.
[5] 刘汉涛,仝志辉, 王艳华,等.密封机箱内电子元器件及热管冷却的热设计[J].流体机械,2016,44(6)：
72-75.
[6] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社,2009.
[7] 沈春根,聂文武，裴宏杰，等.UG NX8.5有限元分析入门与实例精讲[M].2版.北京：机械工业出
版社,2015.
2024年5月8日发(作者：施妙芙)
高机动雷达密闭式机箱的热设计
赵文; 祝崇辉; 陈松松; 石同武
【期刊名称】《《机械与电子》》
【年(卷),期】2019(037)009
【总页数】4页(P12-15)
【关键词】高机动雷达; 密闭式机箱; 热设计; NX8.5
【作 者】赵文; 祝崇辉; 陈松松; 石同武
【作者单位】上海航天电子技术研究所 上海201109
【正文语种】中 文
【中图分类】TH122; TN957.8
0 引言
近些年来，高机动雷达需要适应各类岛礁环境，面临的热环境条件包括高温、低气
压、湿热、盐雾和霉菌等。雷达作为一个复杂的电子机械设备，其电子设备具有总
功耗高、热流密度大、体积小和重量轻等特点。同时有资料表明，随着电子设备结
温每增加10 ℃，其可靠性就会下降60%[1]，这些都给热设计带来了困难。加固
机箱适用于高机动性电子设备平台，要求适用于各类环境，包括岛礁环境。为了实
现电子设备的高可靠性，加固密闭式机箱(以下简称机箱)成为高机动雷达机箱结构
的首选。电子设备安装于机箱内部密闭的空间内，可以实现屏蔽电磁干扰，同时电
子设备的热量通过热传导至机箱风冷板，再通过对流换热将机箱风冷板热量带走
[2]。
在此，为了满足某高机动雷达的研制任务要求，开展了机箱的热设计工作，结合热
仿真分析及优化和高温试验验证其散热效果。
1 结构布局
为了满足高机动雷达系统的高温、低压、盐雾和霉菌等热环境条件，同时还需满足
电子设备壳温不超过85 ℃的要求，机箱结构为强迫风冷的密闭式机箱，如图1所
示。机箱上下板内嵌有风冷板，风冷板在机箱面板端设有进风口；机箱背板设有出
风口，在出风口安装轴流风机；机箱左右侧板设有几组外露直翅片，增加机箱自然
对流的散热面积。机箱上下板内侧设有多组卡槽，插件安装于卡槽内，通过楔形锁
紧条与机箱锁紧，实现插件与机箱的固连。PCB板上元器件的热量传导至插件冷
板，再传导至机箱，机箱再通过风冷板与冷空气进行强迫对流换热将热量带走。在
整个热循环过程中，机箱内插件不与外部环境接触，避免了盐雾、霉菌和潮湿空气
等恶劣环境对电子设备的危害；同时在机箱背部的电连接器和机箱前面板等位置做
密封处理，让插件与外部环境达到气密隔离[3]。
图1 机箱结构(隐藏前面板)
整个机箱内的热流传递路径如图2所示。在这个路径中热阻主要有：电子设备与
插件冷板之间通常贴有铟泊或导热垫，让二者紧密接触，从而控制和降低接触热阻；
插件与机箱通过楔形锁紧条，让二者紧密接触，考虑到插件需要经常插拔，不能贴
上导热垫，且插件边缘需要进行硫酸阳极氧化以达到耐磨防护，这让二者之间的接
触热阻不能忽略；冷空气流经机箱风冷板发生强迫对流换热时的对流热阻。在整个
机箱的热设计中，控制或降低后2项热阻成为机箱热设计的关键。
图2 机箱内热流传递路径
2 热设计
机箱内共有8个插件，总热耗为280 W，在环境温度为55 ℃时，插件壳温不高
于85 ℃。考虑到热量集中效应，将电源插件放置在最边缘；2个热流密度最高的
插件之间空出2组卡槽，如图1所示。
2.1 插件冷板的设计
插件冷板均采用铝合金-6061材料，导热系数198 W/(m·K)。插件冷板的主要作
用为提高电子设备环境适应性：热传导作用，即将电子设备的热量快速传导至插件
冷板两侧，避免热量堆积效应，引发电子设备过热；防护和固定作用，即电子设备
通过紧固件安装于插件冷板上，提高插件的力学性能，与机箱装配达到与外界空气
隔绝的目的。
考虑到散热方式为强迫对流，对每个插件的热流密度进行复核计算，其中数字信号
插件、数据存储插件最大热流密度分别为2 W/cm2，6 W/cm2。数据存储插件最
大热流密度大于5 W/cm2，不可采取风冷的散热模式，在其插件冷板内部布置热
管，如图3所示，将局部大热耗迅速传导至冷板各处，达到降低热流密度的效果
[4-5]。
图3 数据存储插件冷板
2.2 插件冷板与机箱之间的接触热阻
插件通过楔形锁紧条固定安装在机箱导轨内，安装结构如图4所示。两者之间接
触的表面很难完全贴合或理想光滑，即为不完全贴合接触面，因此热传导的过程中
必然存在接触热阻。不完全贴合接触面的接触热阻Rj主要由微接触热阻Rs、宏接
触热阻RL、微间隙热阻Rg和宏间隙热阻RG决定[6]，具体公式为
(1)
图4 插件安装结构
接触界面热流量公式为
Q=KcAa(t1-t2)
(2)
Q为热流量；Kc为接触传热系数；Aa为近似接触面积；t1，t2分别为表面1和
表面2接触界面的温度。
虽然对相同结构的接触热阻可以根据稳态热导率测试标准ASTM D5470，测得
Rj=0.000 246 K·m2/W，但在工程中很难确定接触面积Aa的值，无法定量计算
出接触面之间的温差。故为了减少接触热阻，可提高接触界面表面的平面度、清洁
度和界面之间的接触压力。根据现有类似相同结构及热流量实测出接触界面温差为
3 ℃，可以作为下一步热设计的经验参考值，此值可根据后续试验测试进行修正。
2.3 机箱风冷板设计
强迫对流换热公式为
Q=hA(ts-ta)
(3)
Q为机箱内的热负荷；h为对流换热系数，按照经验值估算为45 W/(m2·K)；ts
为冷板翅片温度；ta为流经冷板翅片空气的温度。
在工程经验中，取ts-ta为20 ℃，计算出将机箱内热量带走所必需的冷板翅片面
积A=0.311 m2。根据机箱结构布局，分为上下2块风冷板，考虑设计冗余量，
可初步设定翅片长度为200 mm，高度为9.5 mm，厚度为1 mm，翅片间距为
2.5 mm，共有翅片100组。
2.4 风机选型及布局
传热平衡方程为
Q=cpρQv(Tout-Tin)
(4)
Q为机箱内的热负荷；cp为空气比热容，当温度为55 ℃时，取1 005 J/(kg·K)；
ρ为空气密度，取1.076 kg/m3；Tout为出口空气温度；Tin为进口空气温度。
在工程经验中，取Tout-Tin为10 ℃，计算出将机箱内热量带走所必需的通风量
为93.2 m3/h。考虑设计30%冗余量，机箱所需通风量为120 m3/h。根据机箱
的外部尺寸要求，单侧通风量为60 m3/h，因此采用4个EBM-papst 3656并联
方式排布，如图1所示。
3 热仿真优化
机箱、插件三维设计都采用NX8.5，在此基础上直接采用NX8.5高级仿真模块中
的NX THERMAL/FLOW求解器，应用耦合热流分析类型对机箱进行整体热仿真，
环境温度为55 ℃，将风机EBM-papst 3656的风扇曲线作为出口流的边界条件
[7]。
将机箱风冷板、插件冷板单独出来，再对机箱和插件PCB、冷板模型进行理想化
几何体设计，合理简化，生成符合在CAE环境下满足热分析要求的CAD模型。
在插件冷板与机箱导轨间设定界面热阻，将热负荷加载于各电子设备上。设定机箱
壳体温度80 ℃为目标值，将机箱风冷板翅片的厚度、翅片组数作为设计变量值，
进行热流耦合仿真优化。
当仿真优化报错时，在保持风机长宽方向尺寸的条件下，即保证机箱整体安装空间
尺寸的条件下，选用EBM-papst AC3200 JH风机的风扇曲线作为出口流的边界
条件，再次进行仿真优化。
机箱温度云图如图5所示。
图5 机箱温度云图
在冷板翅片厚度0.5 mm和间距2.5 mm的条件下，机箱内壳温最高出现在数字
信号插件上，温度为79.58 ℃，低于85 ℃的设计要求。机箱的风道阻力为100
Pa，4个风机并联排放通风量为240 m3/h。
4 高温试验
将机箱放置于55 ℃的环境试验箱中，机箱稳定工作4 h达到热平衡后，采用红外
线测温仪、热电偶2种方式配合进行测温。分别对2种风机进行测试，各个插件
最高壳温结果如表1所示。由表1可知，2种风机都能满足热设计要求；在使用
风机EBM-papst AC3200 JH条件下，最高壳温有明显改善，与仿真结果的趋势
相同，两者最高壳温也相近。并测量各插件楔形锁紧条两边接触面的温度，计算出
差值为2.2～3.2 ℃之间，经验值3 ℃也进一步得到了验证。
表1 高温试验插件壳温测试结果 ℃插件位号插件最高壳温风机型号EBM-papst
3656风机型号EBM-papst AC3200
JHA179.872.5A280.671.3A375.771.1A483.279.7A580.172.6A669.565.5A768.
365.0A872.767.2
5 结束语
为了满足高机动雷达电子设备所处恶劣的热环境条件，对加固机箱进行了密封式外
部强迫风冷方案的热设计工作。通过热设计计算和热流密度分析，合理对高热流密
度的插件冷板布置热管，再结合工程经验值选取合适的风机；结合热仿真优化分析，
优化机箱风冷板参数和风机型号，最后通过高温试验测试验证，表明该方案可以满
足电子设备壳温低于85 ℃的设计要求。同时该密闭机箱通过盖板与箱体之间的密
封措施，实现电磁屏蔽性能，使机箱内电子设备能在较复杂的电磁环境下正常工作。
该方法可提高加固机箱的环境适应性和可靠性，解决机箱在整体结构布局中的局限
性。与此同时，若机箱风冷板换成水冷板，可以为更高热流密度的电子设备提供散
热需求。可见该方法为后续各类密闭机箱的热设计，提供了参考和借鉴。
参考文献：
【相关文献】
[1] Nelson L A, Sekhon K S, Fritz J heat pipe cooling of semiconductor
devices[C]∥Proceedings of the 3rd International Heat Pipe Conference，1978: 373-376.
[2] 段生记,张敏强.电子机箱抗恶劣环境热设计方法[C]//2009年机械电子学学术会议论文集.太原：
中国电子学会电子机械工程分会,2009:349-355.
[3] 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.
[4] 陈登瑞,姜笃山,赵文虎.某高热密度密闭机箱设计[J].电子机械工程,2013,29(3)：5-7,20.
[5] 刘汉涛,仝志辉, 王艳华,等.密封机箱内电子元器件及热管冷却的热设计[J].流体机械,2016,44(6)：
72-75.
[6] 赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社,2009.
[7] 沈春根,聂文武，裴宏杰，等.UG NX8.5有限元分析入门与实例精讲[M].2版.北京：机械工业出
版社,2015.