机载电子设备的散热设计

　　提出了优化散热器翼片的设想；由机载电子设备常用的散热方案（自然冷却和强制风冷却），提出了机载电子设备散热的设计思路和计算方法。

　　机载电子设备的散热冷却主要分自然冷却和强制风冷却。自然冷却的效率取决于散热器换热系数，这与散热器的形状、材料和环境温度有关。强制风冷却的效率除与散热器的形状和材料有关外，还取决于空气流与散热器间的对流换热系数。按自然冷却设计的设备散热器，工作时需要较大的散热面，才能把热散出来。由于机上一般没有多余的空间，只能让设备在高温（接近100c）环境下工作。按强制风冷却方案设计的散热器，在中、低空时因为空气密度大，冷风流速高空气流在散热器中是湍流流动形式，可使设备快速降温，但到高空时由于空气稀薄强制风冷却效率降低，设备也工作在高温区。机载电子设备的热设计一般是在自然冷却的基础上加强制风冷却措施。

　　1自然冷却的设计方法1.1根据相关约束条件设计外轮廓图主要从便于制造和安装、测试方面进行考虑，尽可能按大外轮廓设计，使设备具有更大的热容量。

　　1.2根据散热指标选择材料和设计散热器形状散热器具有热阻性，当散热器的温度上升时，它会把热量从自身散发到周围空气中。散热器对周围环境的热阻0A是对从散热器到周围环境空气散热能力的一个度量。热阻依赖于散热器材料的热传导性、散热器的几何形状及通过散热器翼片的空气流现代机载电子设备（简称设备）由于机上条件所限，一般体积较小，但设备功率大，导致设备的发热量大，而电子元器件的正常工作温度超出100°c，设备故障率将上升。据美军方统计机载电子设备的失效原因中超过50是因温度引起的，因此电子设备的热设计是机载设备可靠性设计中的重要内容。

　　机载设备散热器的冷却效率主要取决于散热器的对流换热系数111，而影响对流换热系数的主要因素是通过散热器的空气流温度和速度。散热器与空气流的温差越大，换热效率越高。通过散热器的空气流速越大，热量散发越快。

　　另一个影响对流换热系数的重要因素是通过散热器的空气流动形式，即层流流动或湍流流动。层流流动时，空气沿平行于流道轴心线的流线流动，没有跨越流线的分速度，沿流道壁面法线方向的热量传递只能依靠流体分子的迁移运动即热传导。而湍流流动时，流体质点运动的流线杂乱无章，不仅在平行于流道壁面方向（轴向）有对流，且相邻流层间的不断扰动混合，形成涡漩流动，以致在壁面法线方向（横向）也有对流。因此湍流时的热量传递，除依靠导热方式外，主要依靠涡漩流动从一个流层到另一个流层的随机运动过程传递热量，使换热增强。所以湍流换热比层流换热强，对流换热系数更大。为求得较大的对流换热系数，需对散热器的翼片形状进行优化，尽可能使散热器中的空气流动呈湍流形式，才能提高散热器的冷却效率。

　　李富成流体力学及流体机械北京：冶金工业出王健石，胡克全，胡卫东电子设备结构设计标准汇编成都：中国西南电子设备研究所，1986应'（大于5mm）。瞬时热负荷的冲击会形成slS202子愚设计指南。币邮散热器材料的热传导性铜散热器的热阻比铝散热器的热阻小，铜的热阻系数（R）是0.279散热器的几何形状为散热器的形状有圆柱形及方形翼片。方形翼片散热器的使用时间较长，但圆柱形翼片散热器比方形翼片的散热器工作特性好，特别是在设备空气流动极少，甚至不流动的环境条件下，其优点更为显著。这是因为圆柱形翼片散热器的全向结构，使空气可从每一个角度进入，使其散热效率更高。

　　圆柱形翼片使散热器翼片间易产生湍流，这种湍流围绕圆柱突破了停止的空气分界层，从而提高了散热器的散热性，而且这种圆柱形结构在不提高风阻时。可提高与空气接触的表面积比。有利于散热。

　　（a）柱形片（b>方形炻片散热器的形状通过散热器翼片的空气流速在高空时机载电子设备中空气密度低，空气流速一般较小。

　　1.3进行校核计算为了校核设备的热特性，一般选设备中大功率元件的结温（T结温）来计算，因为它在设备中温度一般是大的，所以用其结温作设备温度的上限。

　　在进行热计算时，重要参数为设备周围环境空气的高温度T环MAX、设备的热功耗值P热耗及与周围环境相连接的有效热阻Q热阻，即工作时是否需要额外的散热面积，如果Tcasq的计算结果超过了器件允许的壳温大值，就需增加散热器的散热面积。散热器的另两个参数为散热器至Qsa和导热剂（在大功率元件外壳和散热器底部间）的热阻Qcs.知道了散热器的这两个有效热阻参数后，则如果式（3）计算结果超过了大值Tcasq，那么就要换一个有更好热特性的散热器。但式（3）给出的Tcasq是一个保守的估计值，这是因为在设备中有其他通道耗散了热量。如通过电路板板传导到机箱热耗低的几个面上发散到环境中。

　　另外为抗击瞬时热负荷的冲击，散热器的基板电子器件材料的热膨胀，热膨涨系数的不同，会造成表贴电容的断裂、功率器件的热击穿等。且为了加强设备的热辐射，散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

　　2强制风冷却的设计在一些特定的情况下，要让功率大的电子器件在规定的工作温度范围内工作，可能用到的备用散热解决方案包括散热器加风扇、导热管、强迫通风和空气管道。

　　2.1散热器加风扇比自然冷却更好的散热性能的简单方法是散热器和风扇组合使用，这种散热风扇加快了散热器表面的空气流动，减少了散热器的整体热阻。其优点是使用相同的散热器时，可获得更好的散热性能。但风扇需要额外的设备功耗。另外不管风扇是安装在散热器的顶部还是旁边，都需要额外的设备空间。

　　2.2导热管当在设备中没有空间安装散热器，或由于高度限制而无法使用特定的散热器来提供足够散热特性时，导热管就可用来作为一种散热解决方案。在这种情况下，导热管可（通过冷却板和充满压缩冷却剂的具有热传导性能的管道）把热量从过热部位传递到较远的散热器和设备风扇，继而将其散发到设备外部较冷的空气中。其优点是当散热器体积太大而不能安装时，在设备内安装导热管具有优势。但与散热器或散热风扇相比，导热管定制的费用较高。

　　2.3强迫通风和空气通道与自然冷却散热设计相比，强迫通风和空气通道是另一种获得更好冷却性能的方法。强迫通风法在安装于狭小设备内的大功率发热器件的散热设计中具有优势，此时由于空间太小，不足以安装气流特性和尺寸都合适的风扇。而安装在设备外部的风扇，能通过空气通道吸入或排出空气，强迫空气流通过散热器。其优点是风扇经空气通道将外部冷空气吸入设备内并通过大功率发热器件的散热器。进一步加快通过其内部的空气流速度，增强设备的散热特性。但由于空气管道是定制设计，所以其设计费用与散热器相比就会很高。

　　3结束语机载电子设备除散热要求外，还要权衡电磁屏蔽、振动、潮湿等要求，综合考虑才能设计出满足各项指标的设备。