【摘 要】
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如今,电子行业飞速发展,促进了更高工作温度、更高功率密度电子器件的研究。为了提高器件功率密度并控制器件温度,需要通过更优的封装架构和高效的冷却技术来解决。对于航空航天应用,由于高海拔的独特环境,机载电子设备的热管理面临许多挑战。强制风冷因其结构简单、体积小成为一种常用而有效的冷却方式。然而,由于高空环境中气压低、空气密度低的特点,使得用于冷却的空气质量流量减少,从而降低了对流冷却效率。同时,高海拔
【基金项目】
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国家自然科学基金(No.51877006);
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如今,电子行业飞速发展,促进了更高工作温度、更高功率密度电子器件的研究。为了提高器件功率密度并控制器件温度,需要通过更优的封装架构和高效的冷却技术来解决。对于航空航天应用,由于高海拔的独特环境,机载电子设备的热管理面临许多挑战。强制风冷因其结构简单、体积小成为一种常用而有效的冷却方式。然而,由于高空环境中气压低、空气密度低的特点,使得用于冷却的空气质量流量减少,从而降低了对流冷却效率。同时,高海拔环境中太阳辐射较高,也会对电子设备的温度产生不利影响。因此,有必要布置外部散热器来散热,保证电子设备的稳定运行。本文设计了一种用于高空飞行器驱动系统电子设备冷却的板翅式散热器。为了评估其性能并优化设计,建立了三维散热模型并进行了验证。具体研究内容如下:首先,为了获得驱动系统中电子设备的功率损耗,对其工作特性进行研究并加以计算。之后利用三维绘图软件Solidworks进行物理模型的建立,并通过Fluent软件进行数值模拟。为了探究高空环境对电子设备散热的影响,分析了不同高度环境(0km-20 km)下,环境温度、大气密度、大气压力和太阳辐射对其温度变化的影响。结果表明,高空环境的热阻比地面高,不利于电子设备的散热。导致设备升温速度加快。20 km时,电子设备整体热阻为0.46 oC/W,接近地面环境下的两倍。由于高空的太阳辐射较强,太阳辐射对高空环境的散热也有明显影响。并且太阳辐射的影响很少被研究,因此对辐射强度、太阳辐射位置和散热器发射率进行了敏感性研究。研究发现,风速为3 m/s时,太阳辐射强度造成的电子设备温度变化为7.3 oC,这一影响在风速达到10 m/s时降至0.8 oC。可以得出结论,应避免散热器暴露在太阳辐射中,提高表面发射率和风速可以减轻负面影响。最后,为了探究高空环境下散热器结构设计与地面的差异,分析了不同环境下翅片高度、翅片数量、翅片厚度及翅片占底板面积对电子设备温度的影响。结果表明,翅片高度与翅片数量对电子设备温度的影响较大。设备温度随翅片高度的增加而降低,高空处的设备温度变化幅度更大。对于相同的翅片高度变化(25 mm-45 mm),0 km时设备温度变化为20.44 oC,而高空20 km为48.73 oC。对于翅片数量,设备温度随翅片的数量增加先降低后增加,存在翅片数量的最佳值。地面0 km时翅片数量最佳值为28片,重量为1.16 kg;高空20 km为20片,重量为0.83 kg。通过对地面与高空环境的散热器结构优化可以发现,仅在地面环境对散热器进行优化并不能得到最佳的翅片结构,对于高空飞行器中驱动系统散热需要结合具体的运行环境分析。
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