摘要：针对某机载交换机的高功耗、密封、屏蔽的特点，提出密封设备通风散热的结构形式，并通过仿真和试验进行验证。简要介绍设备的结构形式、热源布局，制定初步的散热方案，并通过仿真进行分析；针对仿真结果中局部热流密度较大的问题，提出密封设备通风散热的设计方法，详细介绍该方法的该结构形式和优点，进行仿真分析，确定交换机的散热方案，并通过仿真和试验验证该方案的科学性、合理性。

关键词：密封设备；通风散热；Icepak；离心风机

中图分类号：TH122   文献标识码：B   文章编号：1671-2064(2023)21-0099-04

0引言

散热性是电子设备的重要指标^[1]，密封设备一般采取自然对流和辐射的方式散热^[2]。但是，随着科技的进步，电子设备的集成化程度越来越高，其内部器件正朝着小型化、集成化、高功耗化的趋势发展，导致设备热流密度的急剧升高^[3-4]。密封设备仅仅依靠自然对流和辐射散热，难以满足其工作要求。某交换机为机载设备，要求电磁兼容、密封、耐高低温。设备的总功耗大、主芯片功耗大，采用传统的贴壁散热无法满足设备高温环境工作的要求，如果采用通风散热，无法满足设备密封性的要求。经过深入研究、分析和试验，设备采用密封设备通风散热设计方法，既满足设备密封性，又满足高温工作的要求。该方法解决了密封设备散热效率低的问题，为密封设备散热提供了新的设计思路。 

1交换机散热设计

某机载交换机为19英寸上架设备，高度2U。设备要求具有密封防水、电磁屏蔽、防烟雾、防霉菌、防沙尘等性能，因此设备结构设计成密封机箱。设备由机箱、前面板、后面板、控制交换单元、电源单元等组成。

设备要求最高工作温度为45℃，其热源主要集中在控制交换单元和电源单元上，控制交换单元和电源单元安装后的位置如图1所示，控制交换单元和电源单元热源的位置和发热量如图2所示。从图中可以看出，交换机热源分布相对均匀，热流密度不大。

因为交换机是密封设备，所以采取对流散热和辐射散热。先通过传导的方式将热量传递到机箱表面，再通过对流和辐射散热。具体散热方案：（1）将控制交换单元和电源单元固定到底板上，盖板增加散热凸台与热源对应，使热源的热量传递到盖板上。（2）在散热凸台与热源之间安装高效导热衬垫，提高导热效率。（3）盖板外表面增加散热翅片，提高散热面积，同时表面进行喷漆处理。

图1 控制交换单元和电源单元安装位置图

图2 交换机热源位置图

2交换机散热仿真分析

按照既定的方案建立交换机的散热模型，使用Icepak软件进行散热仿真分析，验证散热方案是否满足环境适应性要求。使用Icepak进行散热分析的具体步骤：（1）建立模型；（2）应用材料；（3）施加约束和载荷；（4）划分网格；（5）运行分析；（6）分析结果^[5]。

在结构设计中已经建立了底板、导热衬垫、控制交换单元、电源单元、盖板的三维模型，如果进行热仿真需要对模型进行简化，删除不必要的特征，如圆角、孔等，以提高仿真速度^[6]。对于本算例，建立装配体，保留发热器件、导热衬垫和盖板。模型简化后导入Icepak中^[7]，导入后的仿真模型如图3所示。

赋予算例中零件材料参数。盖板材料为5A06铝合金，其导热系数为117 W/(m·K)^[8]。导热衬垫的导热系数为6W/(m·K)^[9]。将图2中的发热量添加到各发热器件上，环境温度设定为45℃。

划分网格是将模型分割成有限个单元，网格的大小决定了计算的精确度。网格越小，计算量越大，计算结果越精确^[10]。在大多数仿真分析过程中，默认的网格设置使离散化误差保持在可接受的范围内，同时计算时间比较短。对于一些较小的特征或者散热翅片可以采用局部加密的方式提高网格数量，设置完成后运行求解器，进行仿真分析^[11]。

求解完成后，软件采用云图的方式显示温度，分析结果如图4所示。从温度云图中可以看出，交换机的最高温度为117℃，有两个处理器芯片，处理器芯片的允许最高工作温度为100℃。在此散热仿真中，其实际工作温度超出了允许工作温度，此方案无法满足交换机散热要求，需要改进优化。

 

图3交换机散热仿真模型

 

图4交换机散热仿真温度云图 

3交换机散热优化设计

3.1密封设备自然对流散热设计方法

密封设备自然对流散热设计是针对集成度高、功耗大、使用环境苛刻的设备进行密封性、电磁兼容性和散热能力的兼顾设计，设计方法如下。

（1）设备结构形式设计。将设备分为密封腔和散热腔两部分。密封腔内一般位于设备下层，安装设备的主要组成部件，如印制板、灯板、电源、连接器等。散热腔内一般位于设备上层，安装风机。设备结构形式图如图5所示。

图5 设备结构形式图

（2）散热原理。密封设备通风散热设计原理是将密封腔的热源贴紧密封腔的盖板，使其热量通过传导的方式传递至散热腔的散热翅片上，再通过风机的强迫对流带走热量。

（3）散热设计步骤。首先，散热结构设计。根据设备结构形式，设计设备密封腔和散热腔的结构。其次，散热翅片设计。设计散热翅片厚度、翅片间距、翅片高度。再次，风机选型。根据设备总发热量和散热翅片参数选择风机。最后，导热垫选型。根据每个热源的尺寸和发热量选择合适的导热垫。

3.2交换机结构优化设计

从图4中可以看出，处理器芯片的热流密度很大，仅靠自然对流散热无法满足需要。经过调研和分析，提出了密封设备通风散热结构，其主要特征：（1）在机箱内增加散热板，与机箱面板与侧板接触，形成一个密封空间，设备主要组成部分安装在其内部。（2）散热板底部有散热凸台与发热器件对应，使其热量传递到散热板上。（3）散热板顶部留有较高的散热翅片，以提高散热面积。（4）散热板后部安装到风扇板，风扇板上有离心风机，采取下进风后出风的方式。（5）前面板和后面板顶部有通风口，前进风，后出风。（6）设备的盖板与散热板、侧板和面板形成风道，为设备提供良好热交换能力。（7）盖板处有导风板，将前面板进来的风压低，使其更好地与散热翅片底部接触，同时也能更好地被离心风机吸取并吹出机箱。

此散热方式优点：（1）机箱采取密封的结构形式，耐烟雾、霉菌、湿热、沙尘，具有较强的环境适应性。（2）采用强迫对流散热，具有较高的散热效率。（3）前面板和后面板顶部留有通风孔，其风道是前进风，后出风。改进后设备结构如图6所示。

图6 设备结构图（改进后）

3.3风机选型

设备总发热量为150W，计算设备所需的总风量

设备并联安装5个离心风机，每个风机的风量为。为保证每个风机的工作点风量大于5.26CFM，取单个风机的最大风向为计算总风量的2倍。初步选择风机最大风量为10.52CFM。

根据风阻估算方法估算设备风阻^[12]，计算阻抗曲线。风机型号为离心风机SFD-BB0612HB。

3.4导热垫选型

导热垫选型主要是选择导热垫的厚度、导热系数和黏性。部分热源的安装方式为热源安装在主板上，主板固定在散热板上；另一部分热源的安装方式为热源安装在小板上，小板再固定到主板上，主板安装在散热板上。考虑到同一设备采用相同型号的导热垫，选择较为常用的2mm的导热垫。对于强迫对流散热而言，其导热垫产生的热阻和温升对散热系统影响较小，选择常用的导热系数即可，即6W/(m·K)的导热垫。由于主板热源数量多，考虑到拆卸需求，使用单面黏性的导热垫。

通过计算，最终选择的导热垫型号为高导热填隙材料 CHLT-20FG，厚度为2mm，导热系数为6W/(m·K)，采用单面黏性。

3.5仿真分析

对改进后的设备进行散热仿真分析，其结果如图7所示。从图中可以看出，两个处理器芯片的最高温度为103℃，仍然高于其最高工作温度。风机风压和风量图如图8所示。从图中可以看出，风压较低，风阻较大。

根据以上结果，采取去掉导风板，降低风阻，再次进行仿真分析。其结果如图9和图10所示。从图中可以看到，两个处理器芯片的最高温度为96℃，低于其允许最高工作温度；风机的风量变化不大，但其进出风口的风压增大了将近3倍，说明风道的风阻较小，风速较大。

按照此方案设计结构加工完成后，进行了高低温试验，在环境温度为45℃时，测得两个处理器芯片的温度为95℃，与仿真结果相近。仿真和试验证明了该散热方案是合理、可行的。

 

图7交换机散热仿真温度云图

 

图8交换机散热仿真风速云图

 

图9交换机散热仿真温度云图

 

图10交换机散热仿真风速云图

4 结语

设备散热系统设计前应首先获得热源、使用环境、密封性、屏蔽性要求等资料和参数，在此基础上进行计算或仿真分析^[13]。同时，还应考虑加工工艺、加工误差、材料成本、散热方式等因素。因此，设备的散热设计是一项系统工程，与密封设计、屏蔽设计息息相关，要统筹考虑，在满足密封性和屏蔽性的基础上，如何选择合适的散热方式是结构设计的重点和难点^[14]。本文提出的密封设备通风散热方法兼顾了设备的密封性、屏蔽性的同时，具有较高的散热效率，值得在结构设计中推广和应用。

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Thermal Analysis and Design of Airborne Switches

SONG Zhiyang,MA Jianzhang,GAO Chiming

(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang  Hebei  050081)

Abstract:Forcing to the high power, sealing, electromagnetic shielding of airborne switches structure, the ventilation and heat dissipation structural form for sealing equipment is put forward. The structural form is proved by simulation and experiment. The structure of airborne switches and the heat sources placement are simply introduced. The heat dissipation plan is made and analyzed. The ventilation and heat dissipation method of sealing equipment is expounded forced to the local high heat flux density. The structure and advantage is introduced detailedly and analyzed. At last,the method is scientific and effective proved by the simulation and experiment.

Key words:sealing equipment;ventilation and heat dissipation;Icepak;centrifugal fan