應用 | 國防工業(yè)電子產品的熱管理

2017-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

除了各種復雜的邊界條件外,國防工業(yè)電子產品熱管理的最大挑戰(zhàn)是碰到短暫的熱沖擊問題。這些電子產品經常處于一種極端的熱環(huán)境下。假想一架停放在加勒比海的噴氣式戰(zhàn)斗機,現(xiàn)在要去執(zhí)行一項任務。飛機此時處在海平面,溫度、濕度非常合適的環(huán)境下。當飛機升空后,將處于高海拔、低于冰點溫度的環(huán)境中,在幾分鐘甚至幾秒鐘內改變電子產品的邊界條件,因此飛機中的電子產品必須可以在較大范圍的環(huán)境溫度下工作。

另外,由于軍事任務的本性,勢必導致這些電子產品承擔較大的數(shù)據(jù)處理量,同時要求較快的數(shù)據(jù)處理速度,相應低,電子產品的熱耗會隨之急劇增加。因此,惡劣的環(huán)境條件、急劇增大的芯片熱耗,使得國防工業(yè)電子產品的熱管理面臨巨大的挑戰(zhàn)。同時,要求產品呈現(xiàn)輕量化、完美的可靠性也都增加了熱設計的難度。

對許多處于大氣層或者外太空環(huán)境下的電子設備來說,重量是一個非常重要的要素。重量越輕,產品持續(xù)工作的時間越長,花費的費用越低。很明顯,由于噴氣式戰(zhàn)斗機、導彈、坦克等的既有特性,使得電子產品處于惡劣的熱環(huán)境下,因此國防工業(yè)電子產品的熱可靠性是一個非常重要的因素。

下圖為一個成功的電子產品中熱設計扮演的角色以及環(huán)境對它的影響,可以看出,海拔、高溫、低溫、濕度、溫度沖擊、太陽熱輻射、沖擊振動、結冰、各類惡劣環(huán)境(真菌、沙漠、灰塵、煙灰等等)均對熱設計有不同程度的影響。

應用 | 國防工業(yè)電子產品的熱管理ansys培訓課程圖片1

下圖顯示了地球大氣至外太空環(huán)境的溫度梯度、空氣組成,軍用或航空航天電子產品將會在這樣的環(huán)境下工作。

應用 | 國防工業(yè)電子產品的熱管理ansys培訓課程圖片2

空氣的減少及密度的改變,會極大的影響電子產品的熱管理,二者對熱管理的影響可以參考下圖:

應用 | 國防工業(yè)電子產品的熱管理ansys培訓課程圖片3

可以清楚地看出海拔對空氣行為的影響。電子產品的熱設計必須克服各類邊界條件,滿足產品工作的環(huán)境。

與其他電子產品類似,國防工業(yè)電子產品必須具有良好的冷卻系統(tǒng),可以考慮使用熱管將熱量由一個地方傳送至其他地方或者低溫的冷卻系統(tǒng)。沒有一種解決方法可以滿足所有的工況。冷卻系統(tǒng)必須考慮其工作的空間尺寸、重量及熱耗要求。為了考慮電磁屏蔽要求,通常的電子系統(tǒng)傾向于被設計成封閉的機箱,并且大多數(shù)電子產品盡量與冷卻系統(tǒng)隔離。想像一輛奔馳在沙漠里的悍馬汽車,如果不將電子產品密閉封裝,其工作的各類環(huán)境要比如沙子、碎片等等,會使得電子產品癱瘓不工作。

當然,目前市場上充斥著各種各樣號稱“下一代”冷卻系統(tǒng)的產品。“下一代”冷卻系統(tǒng)常常意味著更高的冷卻能力,更緊湊更微小的冷卻系統(tǒng)。除非我們能制造出新一代的超導熱體、流體,否則我們更應該專注于目前的技術,盡力去減小電子產品的傳熱阻力,提高電子產品的熱可靠性。

軍用電子產品通常呈現(xiàn)更高的熱流量。使用高導熱率的基板材料、均溫板(熱管)、內嵌在芯片Die中的TEC、射流冷卻或者直接浸入式液冷,這樣可以使得熱量被傳輸至液體,進而被傳送至液冷系統(tǒng)的換熱器中。下圖顯示了這樣的過程。

應用 | 國防工業(yè)電子產品的熱管理ansys分析案例圖片4

在過去的幾十年里,工程師開發(fā)了新的熱管理材料,比如加入金剛石顆粒的鋁、銀、銅、陶瓷、鈷等等,有助于對電子產品進行散熱,提高其可靠性。

由于芯片熱耗高、工作環(huán)境惡劣,目前很多工程師對電子產品偏向于使用混合冷卻方式進行熱設計。大部分電子芯片使用風冷散熱,對于熱耗極大的器件使用水冷散熱。但是對于空間飛行或者外太空的電子器件來說,這種散熱方式不可取。工程師必須設計更緊湊的液冷系統(tǒng),其擁有高的吸熱能力。比如浸入液冷(油冷)、冷板、蒸發(fā)冷卻、射流冷卻等等。在未來的幾年內,設計開發(fā)、加工更好的液冷板,開發(fā)更好的液冷材料,使得其能滿足電子產品的散熱,大家對這些液冷能力的開展寄予厚望。

應用 | 國防工業(yè)電子產品的熱管理ansys分析案例圖片5
蒸發(fā)冷卻圖