某户外高频箱抗恶劣环境结构一体化热设计.pdf

EnvironmentalTesting环境试验某户外高频箱抗恶劣环境结构一体化热设计陈彦，吴志辉，刘剑，邓环宇（北京无线电测量研究所，北京10 0 8 54）摘要：本文针对某户外高频箱进行了散热方案设计，根据使用环境要求及内部热量，采取了密闭箱体结构，并进行结构一体化热设计，将空空换热器理念融入到结构设计中，解决了户外恶劣环境下密闭箱体散热问题。最后采用仿真论证的方式进行优化分析，并验证各环境因素的影响，最终证明该方案有效可行。关键词：高频箱；一体化设计；热仿真中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：10 0 4-7 2 0 4(2 0 2 3)0 6-0 0 17-0 7The Integrated Thermal Design of Anti-Adverse Environment for An OutdoorChassisCHEN Yan,wU Zhi-hui,LIU Jian,Deng Huan-yu(Beijing Institute of Radio Measurement,Beijing 100854)Abstract:A heat dissipation scheme is designed for an outdoor high frequency box in this paper.According to the environment and the internal heat,a closed box and structural integration thermaldesign is adopted.The concept of air-to-air heat exchanger is integrated into the structural design,which solves the heat dissipation problem of the closed box in harsh outdoor environment.Finally,an optimization analysis is carried out by means of simulation and demonstration,and the influenceof various environmental factors is verified,which finally proves that the scheme is effective andfeasible.Key words:high frequency box;integrated design;thermal simulation引言目前许多电子设备工作于恶劣环境下，受太阳热辐射和本身发热影响，电子设备的寿命和可靠性受到严重影响。因此，消除这两种影响因素、实现电子设备工作环境的舒适性，至关重要。户外环境中，机箱常用来安放各种电子设备，箱内环境即是电子设备工作环境，受电子设备散热和外环境影响，包括环境温度、太阳辐射、风速、机箱周围物体（遮蔽、地表反射、建筑物和树木）、机箱设计（表面面积、外形、颜色等）、空气渗透以及盐雾、沙尘等，箱内环境一般面临散热、防尘、防沙和防盐雾等问题。根据箱体尺寸、使用温度要求以及电子设备可靠性要求等，需要对机箱采取合理的环控措施，保证电子设备的工作环境。1箱内组件高频箱内放置有频综组合、波导放大器及电源等多种组件，频综组合数量1个，为8 U风冷机箱，波导放大器一共9个，电源共计3个，全部放置于高频箱内，各组件热量如表1所示。如何合理放置并选择合理的散2023年6 月/June 202317环境试验检/EnvironmentalTesting热方式，保证电子设备的工作环境条件，是本文的研究重点。2热设计要求根据GJB3760-99要求，高频箱内部环境温度不高于7 0。3散热设计高频箱内放置有频综组合、波导放大器及电源等多种组件：频综组合为8 U风冷机箱，通过强迫风冷实现内部插件散热；波导放大器一共9个，可通过自然对流或强迫对流方式实现散热；电源共计3个，可通过强迫对流或热传导散热方式实现散热。针对户外箱体散热，可根据外环境温度、太阳辐射、风速、机箱周围物体、盐雾以及沙尘等具体情况，结合实际结构以及使用环境温度要求，分别采取开式循环散热和闭式循环散热两种方式。3.1开式循环散热开式循环散热即引人外环境空气，吸收箱内设备热量后再排出，实现散热循环，优缺点如下。1）优点：散热方式直接，外环境空气直接与箱内电子设备接触将热量带走，传热路径短、散热效果好。2）缺点：受外界环境影响大，风沙、潮湿、盐雾、霉菌等恶劣环境会加速设备的老化，导致箱内电子设备性能降低、失效甚至损坏，严重影响设备的使用寿命和可靠性。3.2闭式循环散热闭式循环散热即箱体为密闭结构，实现箱内与外环境的物理隔绝，避免外部恶劣环境对内部电子设备的影响。具体实施中可根据结构尺寸及内部热量大小，进行散热设计。对于户外密闭箱体，自然散热、空调和空空换热器等是工程上常用的散热方式：1）对于自然散热方式，箱内总热量为2 47.8 W，高温50、太阳辐射环境，在不考虑内部电子设备热耗的情况下，箱内环境温度已将近7 0，不满足热设计要求，不宜采用。2）对于空调工作方式，高频箱存在俯仰工作模式，普通压缩机制冷空调无法满足该工作模式要求。3）对于空空换热器方式，高温环境下，空空换热器能够满足散热需求，但需要对额外增加的体积进行优化，以满足结构布局要求。3.3方案选择由以上分析可知，开式循环散热严重影响电子设备工作，不宜采用；闭式循环散热中空空换热器方式可以满足热设计要求，但需要进行结构布局优化设计。本文将针对高频箱结构，将空空换热器理念融人箱体结构设计中，实现高频箱结构一体化热设计，在满足结构布局要求的同时，提升散热能力，改善内部电子设备工作环境。3.4方案实施根据高频箱结构，箱体一体化热设计可分箱体散热和内部组件散热两部分。3.4.1箱体散热1）箱外部分，在箱体左右两侧壁，布置散热风道及风机，风道内安装有散热翅片，构成空空换热器外循环；2）箱内部分，利用频综组合风机进行强迫对流，并表1热量汇总序号产品名称1LNA2电源13电源23频综组合3.1电源组件3.2激励源组件3.3基准频率组件3.4一本振组件3.5数字/模拟接收组件3.6射频模拟组件合计单个热量(W)数量(W)2.7922.4122.41021181.145.3120119.2119.216.2121.4316.2116.2247.8总热量备注24.32045.32016.264.218环境技术/Environmental TechnologyETestingnvironmental环境试验在内壁安装散热翅片，充分增加散热面积和扰动，构成空空换热器内循环；3）箱体构成内外循环换热面，最终实现箱内热量向箱外的传递。3.4.2内部组件散热1）频综组合为风冷组合，自身带有风机，可实现内部组件散热，故将组合安装在箱内空间即可。该组合风机还起到箱体散热内循环风机的作用，在满足组合内部插件散热的同时，适当地选择大风量、大风压的风机，同时可将风机出风对着波导放大器或电源，实现散热效率的最大化。2）根据电气需求，需要将波导放大器一端安装在箱体侧壁上，另一端为发热器件，故可将波导放大器放置于频综组合出风位置，利用强迫对流方式将热量快速地传递至箱内空间。3）电源可悬置于箱内空间或安装在箱体侧壁上，箱体侧壁为内外循环换热面。与对流换热方式相比，通过热传导将热量传递至箱体侧壁的方式更为直接有效，故本文选择将电源安装在箱体侧壁实现散热。综上，内部各组件热量传输路径如图1所示。4仿真论证4.1模型建立建立如图2 所示仿真模型。内部为频综组合、波导放大器及电源，频综组合内安装有3台风机，一方面对内部插件散热，另一方面风机出风直接与波导放大器接触，将其热量快速传递至箱内，同时还能增加内部扰动，加速热量向箱壁的传递，增强热传递效果；高频箱左右两外侧壁为散热通道，可通过强迫风冷进行散热；其余四个外壁面通过自然对流进行散热。4.2边界条件1）环境温度50；2）频综组合风机为3台113FZW36-26GJ风机；3）两外侧壁为独立散热通道，风机为各2 台113FZW36-26CJ；其余外侧壁为自然散热，布置有散热翅片；内侧壁安装有散热翅片，无散热通道；4）高频箱壳体为铸铝，表面为沙漠迷彩色，太阳辐射吸收率取0.4；5）太阳辐射强度112 0 W/m，辐射方向为+Y。4.3结果分析本文将高频箱与空空换热器进行结构一体化热设计，即箱外为外循环，箱内为内循环，箱体为热交换面。接下来将详细论证分析外循环、内循环及箱体各影响因素，并根据论证结果，选择最优散热方案。1）外循环方面，首先研究不同自然对流风速对箱内环境温度的影响程度，其次研究箱外不同风机数量对箱内环境温度的影响，以确定外循环方式；2）内循环方面，研究箱内有无额外扰流风机对箱内环境温度的影响，以确定内循环方式；3）箱体方面，研究太阳辐射对箱壁的加热效果及对箱内环境温度的影响，确定是否设置遮阳罩。4.3.1外循环1）自然对流频综组合热量强迫风冷高频箱内壁波导热传导放大器热量电源热传导热量图1热量传输路径示意图(a）高频箱内仿真模型（b）高频箱外仿真模型图2 仿真模型示意图高频箱外壁强迎区冷2023年6 月/June 202319环境试验拉/EnvironmentalTesting自然对流工况下，高频箱外无散热通道及风机，仅在各外壁布置散热翅片。仿真结果如表2 所示。由仿真结果可知，外环境风速对箱体内散热影响较大，自然对流风速由0 m/s增加至3m/s时，箱内环境温度由8 4.7 降至6 5.2，箱体温度由8 6.5降至6 5.7，实际工作环境是未知和不可控的，故需要采用风机+散热通道的方式，消除不同自然环境条件的影响。2）箱外风机数量该工况下，高频箱两外侧壁安装散热翅片并各安装表2 自然对流影响仿真结果序号自然风速m/s102台轴流风机。为提高可靠性，将各风机对应风道独立封装，冷风由上下两侧进入风道，吸收热量后由风机抽出，实现散热循环。由仿真结果可知，两外壁各安装2 台风机能够满足箱内环境温度要求；且3台以下（含3台）风机发生故障后，箱内环境温度仍能满足工作环境温度要求，如表3所示。4.3.2内循环除频综组合风机外，在箱内额外增加扰流风机，可太阳辐射箱内温度/有84.7温度截面箱体壳温q.6.418C91.75319.500187.263205.010282.73380.528370.283376.830473.7934备注rperature1q8.504483.1871B4.04581.528579.869878.211276.82674.893973.2353eratire1g80.912678.78576.658574.531572.40470.2m32有1-75.485C74.08.150366.023363.8962erature1q75.459873.957472.45-4970.952569.450167.947666.445264.942763.4403Temperature 1q74.562272.546570.530068.515166.499464.48373有258.4909C67.762.468060.452350.4366ratine 1q60.560067.248565.931064.612563.29-061.37560.5705930550.0200ARTomperature 1q1.974770.023260.071666.120164.168562.216960.2654有43-65.657c65.258.313956.362365.686964.483863.280762.877660.874559.671358.468257.265156.062020环境技术/EnvironmentalTechnologyEnvironmentalTesting环境试验表3箱外风机影响仿真结果序号1外风机数量2-2太阳辐射有箱内温度/62.0温度截面Temperatare Iqg68.6006.40164.29552.142859.90157837455.684053.532151.3794箱体壳温-63.6117Cperalunq64.00062250060.50056.750057.00055.250053.500051.750050.000备注2525Temperature q70.516368.143465.780563.412661.04658.676756.300053.940921-2TenperatureIqg-65.6884C.66.00064.00052.00060.00058.00056.00054.000有63.652.00051573050.0051.342.Temperature Ig71.061969.540767.219664.898462.577260.256157.934有65.231-1Tomperaturelq-672472.C6750065.312563125060.937550.750056.562554.375056.613852.187550.00053.2926DM.c55R32Teme74.864172.012869.161666.310363.459060.607157.356554.90520-2有4-69.95C67.452.0539Temperature Iq70.021967.73465.446263.158460.870650.582756.294954.007051.7192TemperatureIq7.049174.204671.360168.515665.671162.026659.982150-1-72.0313C有69.8Tanporaturm q72.060469.733267.06065.078862.751660.424557.137658.087354.293155.770153.429.7122Temperatureq82.38179.7.40477.0%6774.453071.809369.165766-522060-0-7.091c有75.6Temperature Iq7.00073.625070.250066.875063.500068.125063.8756.75006123453.375050.00054302023年6 月/June 2023 21环境试验检/EnvironmentalTesting增强内循环换热效果。该工况下，外循环4台风机和频综组合3台风机均正常工作，探究箱内有无额外扰流风机的温度情况，计算中考虑太阳辐射影响。由仿真结果可知，箱内增加2 台扰流风机后，箱内温度降低4.2，箱体温度降低3.2，效果较为明显，如表4所示。实际是否采用，可综合考虑结构空间、供电、可靠性等方面。4.3.3箱体太阳辐射会增加箱体温度，并最终影响箱内环境温度。为充分研究太阳辐射影响，优化箱体热设计，本次计算中箱外无散热风道及风机，并且自然对流风速为0 m/s，分别计算有无遮阳罩工况下的箱内环境温度，结果如表5所示。1）有遮阳罩工况下，太阳辐射引起的温升为7.2；2）无遮阳罩工况下，太阳辐射引起的温升为18.8；3）有太阳辐射工况下，增加遮阳罩后箱内温度降低了10，降温效果明显；4）无太阳辐射工况下，增加遮阳罩后箱内温度升高了1.6，升温效果不明显。表4箱内扰流风机影响仿真结果序号风机数量12由以上仿真结果可知，太阳辐射对箱体的升温效果较为明显，在设计中需要进行防太阳辐射设计；增加遮阳罩能够有效降低太阳辐射对箱体加热影响，实际设计中可充分考虑。5小结由以上分析可知，对高频箱采取闭式循环散热，即箱外布置散热风道和风机、箱内利用频综风机扰流能够满足内部电子设备使用环境要求，避免外环境潮湿、盐雾、霉菌的影响，同时增加遮阳罩能够有效避免太阳辐射加热影响，降低箱内环境温度，优化内部电子设备工作环境温度。6结束语本文对高频箱进行结构一体化热设计，并结合不同影响因素进行了仿真论证和优化分析，得出该散热方案能够满足散热要求，对后续恶劣环境下户外箱体的散热设计具有参考意义。根据箱体结构、内部热量大小和不同环境条件，采取合适的散热方式，并对结构形式和布局进行一定程度的优化设计，实现结构、散热一体化设计，太阳辐射箱内温度/有62.0温度截面Temperaturelq60.600066.40164.295562.142859.990157.837455.68-4853.532151.3794箱体壳温-63.6417C备注arature g64.00062.250060.50058.750057.00055.250053.500051.750050.00Temperature iq62.734661.362359.990058.617657.245355.873054.500720-60.8278c有57.8Temperature 1q60.836159.6-03650.461157.258656.066054.873553.128353.681051.756052.408551.296022环境技术/Environmental TechnologyEnvironmentalTesting环境试验表5太阳辐射影响仿真结果序号太阳辐射有1遮阳罩有箱内温度/84.7温度截面Tomperature Iq91.753189.500187.263285.018282.773380.528378.283376.038473.7934箱体壳温A-86.418C备注Temperature1q86.504484.845883.187181.528579.869878.211276.552674.893973.2353Tomperature(q102.15499.676297.158494.720792.242989.765187.207484.80962有Temperature 1q95.697794.004092.310290.616588.922887.229185.5353无94.783.841682.3318.82.1479Temperatire q81.900980.195978.410876.625074.8407口73.055771.2707无无3-72.96C75.969.405667.7006Tenmperature Iq73.078.125067.250064.375061.50058.625055.750052.875050.000Temperatire Iq80.567281.805480.043578.281776.5199口口74.758072.96271.23434无Temperature Iq77.544976.506575.468174.429773.391372.3529有77.571.314569.472570.276169.2377在满足散热需求的基础上尽可能优化结构设计，提高内部电子设备工作环境适应性和可靠性。参考文献：1杨世铭，陶文栓.传热学M.北京：高等教育出版社，1998.2余建祖.电子设备热设计及分析技术M.北京：高等教育出版社，2 0 0 2.3阿伦克劳斯，艾弗兰巴科恩.电子设备的热控制与分析M.北京：国防工业出版社，1992.4赵设.电子设备热设计M.北京：电子工业出版社，2 0 0 9.5谢德仁.电子设备热设计M.南京：东南大学出版社，198 9.作者简介：陈彦（198 7-），男，硕士，工程师，主要研究方向为雷达结构热设计。2023年6 月/June 202323