某雷达机柜电源组合的热设计.
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某雷达机柜电源组合的热设计
宋丹
(中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安710068)
songd@
摘要：本文详细介绍了某雷达电源及其组合的热设计过程，通过实验验证，确保了电源在一定环境温度下正常工作。
该组合的热设计，是针对组合内电源模块数量多，发热量大，且模块之间间距小，散热环境不理想等问题的解决方案。
关键词：散热器组合热设计
1 引言
随着微电子技术的发展，电子设备快速渗透各个领域，电源作为各种设备的能源动力像人体的“心脏”一样源源不断地给设备供应“能量”，其性能的优劣直接影响电子设备的工作质量。
为了设备的正常运行，电源的可靠性摆到了关注位置，MTBF(平均无故障时间)是电源可靠性能主要指标，而影响MTBF的最重要因素是电源的温度，这就要求结构设计师合理选择电源的散热方式以及进行一些必要的散热计算。
2 结构布局
该雷达电源组合位于机柜的最底部，里面并列5个独立的电源模块。
由于组合四周相对机柜密闭，电源模块释放的热量无法自然散发，因此在组合的后框装有轴流风机，底板和侧壁开通风孔，采用强迫风冷的方式将组合内的热量带出，以保证电源的正常工作。
结构如图1所示。
图1：组合外形结构图图2：电源模块结构图
3 散热器的选择
该组合内的5个电源模块，功率大小略有不同，这里选用其中功率最大的一个加以计算。
该电源模块中的主要发热器件为两个稳压器、两个整流器和一个变压器，功率较大的稳压器和整流器直接固定在左侧型材散热器上，功率较小的稳压器和整流器安装在右侧壁板上，直接用平板散热，稳压器和整流器安装时涂导热脂以降低热阻。
其中整流器损耗功率小，可忽略不计。
为提高辐射散热效率，电源模块表面黑化，变压器的安装也尽量靠近侧壁和盖板；为提高对流散热效率，散热器肋片与底板平行以利于强迫风冷时的热交换。
电源模块结
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98 构如图2。
已知环境温度为a T =50℃，左侧稳压器的耗散功率为P=13.2W ，右侧稳压器的耗散功率为P=6.8W ，管结温125=j T ℃,管子结到外壳的热阻tj R =2.5℃/W,管壳与散热器的接触热阻为tc R =0.5℃/W,则左侧稳压器所使用的散热器的热阻为：
()tc tj a j tf R R P T T R +--=
()5.05.22
.1350125+--= =2.68℃/W
由以上计算可知散热器热阻应小于2.68℃/W 。
考虑到稳压器的位置不在散热器的中心，以及稳压器和变压器之间的辐射热流和外形结构要求，在工程计算中将考虑一定的安全裕量，因此选用天津津新电力电子有限公司DXC-572型散热器，其结构参数：肋高15mm ，肋间距5mm ，肋厚2mm ，肋片材料为铝，查表计算散热器S 1= 1200 cm 2，其热阻为0.68℃/W ，远小于R tf ，故散热器满足使用要求。
同样，根据以上方法可求得右侧稳压器的平板散热器热阻R tf =8.03℃/W ，实际选用平板散热器的外形尺寸：145mm ×160mm ×5mm ，面积S 2= 235cm 2，热阻为0.3℃/W ，完全可以满足该稳压器的散热要求。
另外，知道了散热器面积和热阻也可以通过查表一⑶作粗略判断：
表一：散热器面积与热阻关系
4 电源组合风机的选择
已知每个电源模块耗散功率约为Q=40W(两个稳压器、两个整流器和一个变压器耗散功率之和) 环境温度50℃，风机出口温度按55℃计算。
50℃时的空气特性参数为： 空气比热──Cp=1005J/Kg ·℃；空气密度──ρ=1.093Kg/m 3；空气动力粘度──μ=2.0×10-5 Kg/m •s ；普朗特数Pr=0.698；组合的进、出口温差5=∆t ℃
根据热平衡方程,组合内所需的风量为： t C Q Q P f ∆⋅⋅=
ρ min /16.2/036.05
1005093.140533m s m ==⨯⨯⨯= 由于该组合风道较短，风阻小，所需风量大，为保证组合内每个电源模块所分配的风量基本相等，以达到较好的散热效果，可采用风机并联形式。
查苏州电讯电机厂手册知，
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100FZY-S 小型工频轴流风机，输入功率18W ，风量为1.4m 3 /min 。
所以，在组合的后壁并联两个该型风机即可满足风量要求。
5 校核计算
每个电源模块的体积流量为：
Q f =2×1.4/5=0.0093m 3/s
空气的重量流量为：
W=ρ• Q f =1.093×0.0093=10.16×10-3Kg/s
5.1 求定性温度
根据热平衡方程求得
9.31016.10100540
3=⨯⨯
==∆-W C Q
t P ℃
则空气在组合的出口温度为：
t 2=t 1+Δt=50+3.9=53.9℃
定性温度为：
t f =(t 1+t 2)/2=(50+53.9)/2=52℃
5.2 求对流换热系数α
电源模块在组合内等间距排列，形成风道，风道的截面尺寸：
S=0.02m ×0.15m=0.003m 2
风道的当量直径：
m b a ab d 035.015.002.015
.002.022=+⨯
⨯=+=
单位面积质量流速：
G= W /S=3.387Kg/s •m 2
雷诺数
5927100.2387
.3035.05=⨯⨯=⨯=-μG d
R e
根据风道尺寸及雷诺数可得考尔本数
0041.05927
023.0023
.02.02.0===e R J
则对流换热系数
α=J •Cp •G •(Pr)-2/3
=0.0041×1005×3.387×0.698-2/3=17.73(W/m 2•℃)
5.3 计算电源模块表面温度
电源模块外侧表面散热面积为：
左侧型材散热器S 1=0.12m 2
右侧平板散热器S 2=0.0235m 2
则对流热阻为：
100 47.0111=⨯=
S R α℃/W 40.212
2=⨯=S R α℃/W 则电源模块散热器表面温升为：
Δt 1=Q 1×R 1=13.2×0.47=6.20℃
Δt 2=Q 2×R 2=6.8×2.40=16.32℃
电源模块表面温度为：
左侧散热器
t s1=t f +Δt 1=52+6.20=58.20℃
右侧平板散热器
t s2=t f +Δt 2=52+16.32=68.32℃
经以上计算可知，电源模块的散热良好，其表面温度远小于稳压器的结温Ts=125℃。
6 结论
为了对设计结果加以验证，经过多次的实际测量，组合满负荷连续工作12小时测得电源模块的表面温升最高为12℃，满足使用要求。
结果证明，本设计方案合理可行。
参考文献：
1. 赵惇殳 《电子设备结构设计原理》 江苏科学技术出版社 1986
2. 赵惇殳 《电子设备热控制技术》 西安电子科技大学 1996
3. 清华大学编 《晶体管电路》第二册 科学出版社。
