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国防工业电子产品的热管理

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除了各种复杂的边界条件外,国防工业电子产品热管理的最大挑战是碰到短暂的热冲击问题。这些电子产品经常处于一种极端的热环境下。假想一架停放在加勒比海的喷气式战斗机,现在要去执行一项任务。飞机此时处在海平面,温度、湿度非常合适的环境下。当飞机升空后,将处于高海拔、低于冰点温度的环境中,在几分钟甚至几秒钟内改变电子产品的边界条件,因此飞机中的电子产品必须可以在较大范围的环境温度下工作。

另外,由于军事任务的本性,势必导致这些电子产品承担较大的数据处理量,同时要求较快的数据处理速度,相应低,电子产品的热耗会随之急剧增加。因此,恶劣的环境条件、急剧增大的芯片热耗,使得国防工业电子产品的热管理面临巨大的挑战。同时,要求产品呈现轻量化、完美的可靠性也都增加了热设计的难度。

对许多处于大气层或者外太空环境下的电子设备来说,重量是一个非常重要的要素。重量越轻,产品持续工作的时间越长,花费的费用越低。很明显,由于喷气式战斗机、导弹、坦克等的既有特性,使得电子产品处于恶劣的热环境下,因此国防工业电子产品的热可靠性是一个非常重要的因素。

下图为在电子产品设计中,热设计扮演的角色以及环境对它的影响,可以看出,海拔、高温、低温、湿度、温度冲击、太阳热辐射、冲击振动、结冰、各类恶劣环境(真菌、沙漠、灰尘、烟灰等等)均对热设计有不同程度的影响。

下图显示了地球大气至外太空环境的温度梯度、空气组成,军用或航空航天电子产品将会在这样的环境下工作。

空气的减少及密度的改变,会极大的影响电子产品的热管理,二者对热管理的影响可以参考下图:

可以清楚地看出海拔对空气行为的影响,电子产品的热设计必须克服各类边界条件,满足产品工作的环境。

与其他电子产品类似,国防工业电子产品必须具有良好的冷却系统,可以考虑使用热管将热量由一个地方传送至其他地方或者低温的冷却系统。没有一种解决方法可以满足所有的工况。冷却系统必须考虑其工作的空间尺寸、重量及热耗要求。为了考虑电磁屏蔽要求,通常的电子系统倾向于被设计成封闭的机箱,并且大多数电子产品尽量与冷却系统隔离。想像一辆奔驰在沙漠里的悍马汽车,如果不将电子产品密闭封装,其工作的各类环境要比如沙子、碎片等等,会使得电子产品瘫痪不工作。

当然,目前市场上充斥着各种各样号称“下一代”冷却系统的产品。“下一代”冷却系统常常意味着更高的冷却能力,更紧凑更微小的冷却系统。除非我们能制造出新一代的超导热体、流体,否则我们应该更加专注于目前的技术,尽力去减小电子产品的传热阻力,提高电子产品的热可靠性。

军用电子产品通常呈现更高的热流量。使用高导热率的基板材料、均温板(热管)、内嵌在芯片Die中的TEC、射流冷却或者直接浸入式液冷,这样可以使得热量被传输至液体,进而被传送至液冷系统的换热器中。下图显示了这样的过程。

在过去的几十年里,工程师开发了新的热管理材料,比如加入金刚石颗粒的铝、银、铜、陶瓷、钴等等,有助于对电子产品进行散热,提高其可靠性。

由于芯片热耗高、工作环境恶劣,目前很多工程师对电子产品偏向于使用混合冷却方式进行热设计。大部分电子芯片使用风冷散热,对于热耗极大的器件使用水冷散热。但是对于空间飞行或者外太空的电子器件来说,这种散热方式不可取。工程师必须设计更紧凑的液冷系统,其拥有高的吸热能力。比如浸入液冷(油冷)、冷板、蒸发冷却、射流冷却等等。在未来的几年内,设计开发、加工更好的液冷板,开发更好的液冷材料,使得其能满足电子产品的散热,大家对这些液冷能力的开展寄予厚望。

蒸发冷却示意图:

该装置为四周装有散热器的封闭腔,直径50mm,厚度20mm,腔体底部装有压电制动器和水,致动器振动产生雾状液滴,液滴飞溅到加热面,形成持续的液膜,液膜汽化降低CPU温度;蒸汽被散热器冷却形成液体,流回腔体底部。实验表明:外界风冷,芯片壳体温度100℃,散热能力可达100W/cm2;外界为水冷,散热能力达到200W/cm2。

射流冷却示意图:

高热流军用航空机箱封闭的混合循环冷却系统见如下图:

航空电子机箱使用相变材料对电子模块进行冷却,如下图:

航空电子器件还必须考虑各类环境、振动、热冲击、重量、天气导致的涡流或者压力冲击等等方面的要求。这类电子产品的设计周期如下图:

安世亚太通过失蜡熔模方法可以实现小尺寸、高密度散热器的精密铸造加工,也可以加工微通道尺寸水冷板,参考下图:

Icepak换热散热电子电子电控科普铸造热设计
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首次发布时间:2018-12-24
最近编辑:5年前
王永康
硕士 | 产品经理 热设计热仿真计算
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