某IED干扰装置的散热结构设计及优化

0引言

IED干扰装置的核心功能在于通过发射特定频率的电磁波,干扰或阻断IED的遥控信号,从而防止其引爆。这一过程伴随着高能耗和显著的热量产生,对装置的散热结构设计提出了严峻挑战。

近年来,热管理技术的不断进步为解决IED干扰装置的散热问题提供了新的方案^[1]。新技术的应用,不仅提高了散热效率,还增强了装置的智能化和自适应能力,为提升IED干扰装置的整体性能奠定了坚实基础。

IED干扰装置的散热结构设计关键在于如何有效地将装置内部产生的热量迅速导出,并散发到周围环境中,以维持装置的正常工作温度。这不仅涉及散热材料的选择,还涉及散热器的设计,包括散热片的形状、尺寸、布局等^[1]。本文从设计需求分析入手,详细剖析IED干扰装置的散热需求,进行散热结构设计,利用Icepak软件进行数值模拟,并结合实验测试,获取温度数据,确保设计的有效性和可靠性^[2]。

1 IED干扰装置散热结构设计

在IED干扰装置的散热结构设计中,散热器设计、结构布局、散热材料选择是决定系统性能的关键因素。

散热结构布局设计方面,本方案充分考虑了IED 干扰装置的内部空间限制和热源分布。散热器整体布置于IED干扰装置的下方发热区域,确保热源与散热器之间的热路径最短,提高热传递过程的导热效率。同时,散热结构的布局还考虑了空气流动的优化,通过合理设计风道、进风口和出风口,引导冷却空气流经散热器翅片,增强了对流散热效果。

材料的选择上,铜和铝因其优异的热导率而被广泛应用于散热器制造,但铜的高成本和铝的较低热导率又各自带来了挑战^[3]。基于成本考虑采用高导热系数的铝合金,其导热系数达200 W/(m.K),远高于普通金属材料,既能满足散热要求,又保证了经济性。

散热器类型的选择基于对IED干扰装置功率消耗和热流密度的精确计算。经过综合考虑,本方案采用了铝合金制散热器,其具有优异的导热性能和轻量化特性,能够有效降低热阻,提升散热效率。散热器的翅片设计采用了优化算法,通过增加翅片密度和调整翅片间距,进一步提高了散热面积,增强了散热器的整体散热能力。同时,散热器上还布置了一系列铜制热管进行导热,使散热器受热更均匀,可更好地提高散热效率。IED干扰装置的功放、电源功耗如图1所示。

在详细结构设计及优化方面,整体散热结构采用仿烟囱结构设计(有密闭的风道包裹散热器),即热源、散热器在底部,并设有进风口,出风口设置在高处,风道内空气经过散热器带走热量,沿着升高的风道上升,增强了空气的对流,形成了烟囱效应,如图2所示。为使烟囱效应更明显,在出风口设置排气风扇,IED散热装置位于车体前部,进风口朝前,即车辆的前进方向,更有利于进风;此外,散热器整体结构大,散热齿多,散热面积大,为方便散热器均匀受热并更好地散热,铜制热管一端布置于高温区,另一端布置于低温区,散热器、热管布置如图3所示。散热器与IED干扰装置之间涂导热硅脂,并设置多处锁紧螺钉,保证接触的可靠性。

2散热仿真计算及优化

IED干扰装置散热结构设计的仿真过程中,采用先进的热仿真软件ANSYSIcepak进行分析计算,旨在通过精确的数值模拟来验证设计方案的合理性^[4]。这一过程不仅涉及对散热器几何形状、材料属性及工作环境的细致建模,还包括对热传导、对流和辐射等热交换机制的综合考量。通过这一系列复杂的仿真操作,能够预测在实际运行条件下散热结构的性能表现,从而为设计的优化提供科学依据。

通过Icepak的优化功能对散热器进行优化设计,以功放最高温度为目标函数,对散热器翅片厚度、翅片间距及翅片高度三因素进行仿真优化计算,综合考虑散热器安装空间、风道布置、整机重量要求以及散热器加工工艺,确定翅片厚度0.8 mm、间距3.2 mm、高度50 mm为最优方案。仿真计算结果如图4所示。

仿真结果显示,在外界环境温度40℃条件下,基于设计结构及风机风量,功放最高温度53.6℃,满足温度要求。

3 实验测试

为验证仿真的正确性,精心搭建了一个高度模拟实际工作环境的实验平台进行测试。实验过程中,采用先进的温度监测系统,实时记录散热结构工作状态下的温度变化,从而获取了一系列关键性能数据。

首先搭建IED干扰装置散热实验平台,再分别进行以下实验操作:

1)在室温(25℃)环境下,IED干扰装置前向设备安装散热结构进行满功率工作散热实验。

使用温度计和设备内部的温度传感器测量当前环境温度,并记录此时起始温度值与起始时间,再开启IED干扰装置满功率工作,时刻监控功放模块发热情况,并记录功放模块温度值和运行时间,直到所有功放模块温度达到恒温后再关闭IED所有通道,再次记录功放模块温度值和到达恒定温度时间,此时检测到的功放模块最高温度为37℃ ,远低于功放模块容许值85℃的要求。

2)在高温(40℃)环境下,IED干扰装置前向设备和后向设备分别安装散热器进行满功率工作散热实验。

在高温散热实验开始前,需要将IED干扰装置放置在高温实验房至少2 h,当设备到达恒定温度时,记录设备起始温度值和起始时间,然后开启IED干扰装置满功率工作,时刻监控功放模块发热情况,并记录功放模块温度值和运行时间,直到所有功放模块温度达到恒温后再关闭IED所有通道,再次记录功放模块温度值和到达恒定温度时间,实验数据如图5所示。

在40℃高温环境下,IED干扰装置所有功放满功率工作约40 min到达恒温状态,工作170 min内最高温度值为52℃ ,最高温升为12℃ ,如表1所示。

表1对仿真和实验结果的对比分析,验证了仿真数据的有效性及散热结构设计的可靠性。

4 结论

本文对IED干扰装置的散热进行了比较详尽的结构及热设计,三维立体建模,并用Icepak仿真软件进行仿真模拟计算,同时搭建实验平台进行验证,经综合评估,该散热结构性能可靠。本文的研究可为以后IED干扰装置的散热结构设计提供经验指导,确保装置的安全、可靠运行。

[参考文献]

[1] 邱成悌,赵停攵,蒋金兴.电子设备结构设计原理[M].南京:东南大学出版社,2005.

[2]李庆友,王文,周根明.电子元器件散热方法研究[J].电子器件,2005,28(4):937-941.

[3]黄南,温志强,荣智林,等.VC技术在半导体热管理应用的性能研究[J].现代电子技术,2022,45(7):143-147.

[4]尤江,栾鹏文.基于Icepak的电子设备热分析与改进[J].建筑电气,2012,31(11):58-63.

2025年第2期第16篇