摘要：針對某大功率器件的散熱需求，基于傳熱路徑和流動跡線，進行了一種內嵌熱管的高效風冷散熱裝置的設計研究，并進行了仿真計算。計算結果顯示散熱符合設計要求，表明此高效散熱裝置設計方案可行，可為同類大功率器件散熱和散熱裝置技術設計提供參考。

關鍵詞：大功率；高效；散熱裝置；仿真計

0引言

溫度是影響電子設備性能的重要因素，隨著電子設備的熱耗加大，散熱裝置的應用更加廣泛，散熱方式也更多樣化；對于艦載平臺中的散熱設計，其設計空間、設備重量均有嚴格限制，同時對設備的可靠性、維修性、環(huán)境適應性也非?？量?。液冷、風冷不同散熱形式各有優(yōu)缺點，風冷由于結構簡單、價格低廉、可靠性高，具有其優(yōu)勢。高效散熱裝置的研究主要包括傳熱路徑結構優(yōu)化、流體流動優(yōu)化設計等，針對熱量比較集中區(qū)域采用熱管或均熱板形式進行快速導熱，將集中熱量擴散到更大區(qū)域進行散熱。國內外諸多文獻對肋片式散熱器、熱管傳熱性能、均溫板等進行了研究。本文基于研究現(xiàn)有理論，結合項目實際特點和需求進行了傳熱路徑和流體流動優(yōu)化設計。

1問題描述

某大功率行波管安裝于高頻箱內，高頻箱為艙外設備，環(huán)境溫度為50℃，單個行波管發(fā)熱量為500W，行波管最大工作溫度為90℃。通常對于大功率電子設備采用液體冷卻方式，行波管直接貼裝在冷板表面，通過液體循環(huán)將熱量帶走，或者在設備箱體外掛空調系統(tǒng)，通過空調系統(tǒng)把設備熱量帶出。無論是液冷方式還是空調冷卻方式都需要增加外部設備，使得設備重量增加，體積龐大，成本高、維修性差。通過合理布置高導熱率的熱管，將行波管熱量迅速傳到至整個散熱器殼體，風機吸入環(huán)境風流經(jīng)由散熱翅片和蓋板組成的風道，將熱量傳導至環(huán)境。

2數(shù)學模型

散熱器的基本功能就是為電子元器件或設備的散熱提供一個路徑，將其工作過程中產(chǎn)生的熱量迅速傳遞至散熱器，散熱器再通過翅片與周圍空氣進行熱交換，使電子設備能夠在熱環(huán)境下正常工作。傳熱的基本計算公式為：

溫度不同的物體之間，亦或者發(fā)生在同一個物體，但內部溫度不同的各部分之間，熱能的傳遞依靠分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動。導熱的基本定律就是傅里葉定律：在導熱過程中，單位時間內通過導熱截面的熱量，與垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積成正比，而與熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反，計算公式為：

風機環(huán)境風流經(jīng)散熱器表面與散熱器產(chǎn)生強迫對流換熱，將熱量最終導入到環(huán)境中。對流換熱的冷卻公式為：

3散熱器形式確定

高頻箱散熱器結構如圖１所示。經(jīng)過換熱計算，初步確定散熱器形式，散熱器的結構如圖２所示。散熱器齒寬3mm，齒高76mm，齒間距7mm。

具有風機走線槽，風機引線通過壓線夾固定在走線槽里，走線槽圓滑過渡。行波管安裝凸臺開有熱管安裝槽，安裝面精加工，接觸面均勻涂抹導熱硅脂以減小接觸熱阻，嵌入熱管后保證熱管平面與行波管安裝凸臺平面平齊。

應用于大功率的散熱裝置由散熱器殼體、散熱器蓋板、通風板、防水風機、熱管等組成。散熱器殼體翅片頂部設置有蓋板；散熱器殼體翅片端面設置有通風板用于過濾雜質；散熱器殼體翅片另一端面安裝有4個防水防鹽霧風機抽取自然風流經(jīng)由散熱器殼體翅片及蓋板組成的風道，強迫對流換熱；散熱器殼體行波管安裝凸臺嵌有6根熱管，熱管導熱性能好，具有均溫效果，能加強換熱效果。

散熱器殼體翅片端面安裝有4個防水防鹽霧風機，另一端面安裝有通風板，頂部安裝有蓋板，形成風道，減少風量損失，增強了換熱效果。行波管安裝凸臺上嵌有6根熱管，熱管兩端通過壓板壓住，熱管導熱性能好，能迅速傳導熱量，具有均溫效果。殼體的熱量通過對流換熱方式帶走，結構簡單，使用方便，散熱效果明顯。

4仿真計算

通過合理布置熱管，優(yōu)化散熱器殼體翅片高度、寬度、間距，提高換熱效率。行波管熱量通過熱管加強熱傳導效果，迅速傳至整個散熱器殼體，風機吸入環(huán)境風流經(jīng)由散熱翅片和蓋板組成的風道，將傳導至散熱器殼體的熱量通過對流換熱方式帶走，整個結構簡單，使用方便，散熱效果明顯。

4.1參數(shù)設置

合理選擇計算域，保證流體充分發(fā)展，減少計算域大小對計算結果準確度的影響，在流體方向上計算域長度為物體長度15倍，另外兩個方向為9-10倍。采用結構網(wǎng)格對計算域流體進行網(wǎng)格劃分。在計算域中采用由面到體的逐級劃分網(wǎng)格，壁面進行細化，在壁面處對網(wǎng)格進行加密處理，使得流場求解更為細致，結果更準確，減少網(wǎng)格對仿真結果的影響。采用速度進口邊界條件和完全發(fā)展出流邊界條件。流動選擇為不可壓縮流，密度為常數(shù)?？刂品匠蹋嘿|量連續(xù)方程和N-S方程，因無熱交換，所以不考慮能量方程。采用有限體積法對控制方程進行離散化的處理，即采用有限體積的方法將微分方程分解成一系列關于多個變量的非線性耦合代數(shù)的方程組，采用一階迎風格式實現(xiàn)對流項離散，采用具有一階精度的中心差分格式進行離散擴散項，采用SIMPLE算法對壓力－速度耦合方程進行求解，對流場進行了初始化，通過迭代計算得到流場數(shù)據(jù)和溫度分布。

4.2計算結果

行波管安裝在散熱器之上，安裝表面嵌入6根熱管，熱管導熱系數(shù)取1000W／（m·K），經(jīng)仿真形成圖3-5所示的仿真結果。采用某軟件對散熱器進行仿真，確定散熱方案的符合性。

如圖4所示，厘米波行波管安裝表面最高溫度為89℃左右，溫度較高區(qū)域集中在發(fā)熱區(qū)域。

如圖5所示，毫米波行波管安裝面最高溫度為84℃左右。

仿真結果表明：該散熱器方案可行，散熱效率高，滿足某行波管安裝表面不高于90℃的散熱要求。

5結束語

經(jīng)過計算與仿真驗證，得到滿足大功率器件散熱需求的散熱方案和結構形式，其優(yōu)點如下。

（1）換熱效率高及經(jīng)濟實用性好。采用熱傳導、輻射和強迫空氣對流散熱相結合的結構形式，散熱效果較好，避免采用液冷設備和空調設備，結構簡單，成本降低。

（2）維護使用方便。蓋板、通風板通過螺釘直接固定在散熱器殼體；防水風機直接螺釘緊定在散熱器殼體翅片端面，可直接拆卸，維護使用方便。

（3）可靠性高。散熱器殼體整體加工成型，結構件強度和剛度滿足相關設計標準，抗震抗沖擊性能優(yōu)越，不易損壞，可靠性高；防水風機安裝在散熱器殼體端面，維修性好。