某大功率发射机的热设计.docx

某大功率发射机的热设计摘要：随着发射功率的不断增大，大功率发射机对热设计的要求已越来越高。热设计模型变得更加复杂，更需要用具体的数学模型来分析和计算。但由于热场的复杂性，论理计算越来越困难。为更好的求解复杂热场问题，需要运用新的方法。本文介绍了一种平；。分析软件（ICEPAK）对某大功率发射机的风冷散热优化设计方法。通过采用双层进风结构以及直吸式散热结构建立双风道散热系统，实现了近600W热耗的散热及电磁屏蔽要求。关键词：双层进风；直吸式；ICEPACK引言随着电子通讯技术的不断发展，大功率电子发射设备的功耗不断增大，对热设计也提出了更高的要求。为满足不同的设计要求，热设计的方法[1]多样化，对于大功率设备最常用的方法主要是强迫风冷和液体冷却等。冷却方式的不同，冷却效果和用途各不相同。液冷虽比风冷效果更好，但灵活性、经济性较差。风冷方式得到了更广泛的应用。无论选用何种散热方式，如何更有效的提高散热效率，是热设计优化设计的重点。1概述此大功率发射机的工作环境在室内，为方便移动要求选用风冷散热方式。发射机的机箱采用了3U（482.6mm×132mm×465mm）机箱，机箱内主要模块及热耗：功率放大模块（587.2W）、电源模块（100W）、两个前级推动模块（30W、50W）以及控制模块。其中最主要的热耗集中在功率放大模块。此模块内安装有16块功放管，每块最大热耗约36.7W。要求发射机在55℃的环境温度条件下，每块功放管结温均不能超过150℃，此条件要求是本次热设计的难点。由于高度尺寸的限制3U机箱所能采用的风扇规格为80mm×80mm×25mm，一般风量为0.01～0.015，常规风冷方式需要在机箱尾部安装至少4个风量为0.015的风扇，才能达到散热要求。为提高散热效率，减少风扇使用数量，本设计通过改进结构（采用双层进风结构以及直吸式散热结构），使用3个0.012的风扇，很好的达到了此大功率发射机的热设计要求。2热设计2.1应用软件介绍发射机内部结构相对复杂，气流流动状态主要为湍流，同时也有层流，散热方式主要依靠传导和对流散热（辐射散热相对可以忽略）。影响热传递的因素较多，多种传热方式相互耦合，数学计算模型复杂，难以进行理论计算。因此要快速高效的得到定量的计算结果，需要采用专业热分析软件进行仿真分析[2]。在对发射机的热设计和仿真上主要采用了美国FLUENT公司开发的ICEPAK软件。通过使用了ICEPAK中的“zoom-in”分析方法（如图1）。不仅简化了设计模型，而且得到了更加详细和准确的功率放大模块的仿真结果。图1ICEPACK软件的“zoom-in”分析方法2.2双风道思路常规的风冷方式采用风扇从整机内吸热带走热量，对各模块针对性较差。特别是各模块间功耗密度分布悬殊较大时，由于散热不集中，风道风阻大等原因，散热效率很低。从发射机内各模块热耗分布看：发射机最主要的热耗集中在功率放大模块（587.2W）上，其余模块热耗相对较低。如果采用常规单风道的风冷散热布局，高热耗的功率放大模块产生的热量易滞留在机箱内，并影响其它模块的散热，以导致整机结温升高。为将功率放大模块与其余模块分开散热，通过整体分析，主要思路是在机箱内建立双风道散热系统：1.针对功率放大模块的散热风道（采用翅片散热器直吸式散热结构）；2.针对其余模块的散热风道（采用常规风冷方式）。从最终的分析仿真结果看，此结构有效的提高了散热效率，达到了良好的散热效果，同时很好的保证了电磁屏蔽性能，为发射机的正常工作提供了可靠保障。也验证了多风道散热思路在热耗悬殊较大设备中的优越性。2.3散热结构设计由于整个发射机的热耗分布的特殊性，如果采用常规风冷方式，很难达到散热要求。通过仿真分析，在将功率放大模块安装在翅片散热器上，在机箱两侧开进风孔，并在机箱尾部安装3个风量为0.012的风扇，采用从机箱内吸气的方式带走热量，从仿真结果（如图2）看，也未能达到发射机的散热要求。图2常规风冷下机箱内温度分布从双风道散热的思路出发。在结构设计上进行优化，设计了一种直吸式散热结构（如图2）。其原理是：将散热器的翅片面朝下安装，与底面安装板形成多个矩形散热风道，功率放大模块安装在冷板顶面，其热量主要通过热传导的方式先传递给冷板翅片，再通过风道中的气流直接带出机箱。在机箱尾部安装2个风量为0.012的风扇，将热量通过气流带出机箱。进风采用从机箱底部进风，并设计成一种双层进风的结构（如图3），不仅很好的保证了电磁屏蔽要求，对进风口的风速也起到了很好的缓冲作用，减少了外部灰尘等物体的吸入。从最后的仿真结果，此散热设计较常规风冷减少近40℃的结温，达到了良好的散热要求。图3直吸式散热结构与双层进风结构在电磁屏蔽性能上，发射机的电磁屏蔽薄弱处主要位于进出风口处，进风口处采用双层进风结构，且开口位于发射机底