綜合模塊化航空電子的液冷設(shè)計(jì)

程勁嘉

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

航空電子設(shè)備的發(fā)展在形式上基本是由設(shè)備級向模塊級、片上系統(tǒng)級方向發(fā)展,大大提高了航電系統(tǒng)的性能,減少了航電設(shè)備的體積、重量和功耗,提高了航電系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性和維修性,有利于系統(tǒng)的升級換代。

對新一代軍用航電系統(tǒng)更強(qiáng)大功能的需求、元器件技術(shù)的飛速發(fā)展,以及模塊化集成度的提高,將要求航空電子設(shè)備能以更小的體積、更輕的重量提供更為優(yōu)越的系統(tǒng)性能。這一要求直接導(dǎo)致了在各級電子封裝上產(chǎn)生高的功率密度,而一般認(rèn)為,電子元件上高熱量的聚集(結(jié)點(diǎn)高溫)是造成設(shè)備可靠性降低的主要原因。因此,如何實(shí)現(xiàn)有效的熱管理(控制元件結(jié)點(diǎn)溫度),成為提高航電系統(tǒng)工作可靠性的關(guān)鍵技術(shù)問題。

在以往實(shí)際應(yīng)用中,由于航電設(shè)備功率密度并不高,通常采用簡單的自然散熱方式。這一方法具有一定的散熱能力,也不會使冷卻結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,但是把模塊的承載功率限定在了10W左右的低水平,限制了模塊技術(shù)的發(fā)展。其它一些熱管理方式,如傳導(dǎo)冷卻、氣流冷卻等,雖然大大提高了模塊的承載功率,但也僅能達(dá)到30～100W的范圍。表面安裝技術(shù)(SMT)使封裝密度有了巨大的技術(shù)進(jìn)步,并把模塊的承載功率提高到了100W乃至幾百瓦的級別[1]。在新一代飛機(jī)平臺明確采用綜合模塊化的航空電子系統(tǒng)的情況下,如果不采用新的散熱冷卻方式,元件的結(jié)溫將顯著提高,從而導(dǎo)致各系統(tǒng)設(shè)備可靠性嚴(yán)重下降,在有些情況下,甚至?xí)?dǎo)致元件功能失效。

液體冷卻技術(shù)在美國F22上的成功應(yīng)用,帶動(dòng)了國內(nèi)航空電子系統(tǒng)液冷技術(shù)的發(fā)展。這一技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)綜合模塊化航空電子系統(tǒng)熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 液體冷卻的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的散熱方式,在綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的設(shè)備上采用液體冷卻方式具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)液冷散熱效率高,熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20倍以上,熱耗容易傳到液體熱沉[2];

(2)冷卻劑的溫度容易控制;

(3)機(jī)架/機(jī)箱內(nèi)部模塊耗散的熱量不會排放到其所處的空間,避免了相互間的影響;

(4)采用液體冷卻時(shí),模塊、機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸較小,重量輕;

(5)采用液冷冷板可以減小溫度的波動(dòng)和循環(huán),提供較低的熱阻通路。

液體冷卻通常有3類形式:傳導(dǎo)液冷形式、穿通液冷形式和浸漬液冷形式[3],就工程實(shí)用性而言,在航空電子上采用的液體冷卻形式通常是前兩種。

3 典型的模型方案

適用于綜合模塊化航空電子設(shè)備的液體冷卻方式的典型散熱模型[3,4]如圖1所示。

圖1 液體冷卻散熱模型示意圖Fig.1 Schematic model of liquid cooling

其中,傳導(dǎo)液冷方式主要針對機(jī)架/機(jī)箱液冷,模塊傳導(dǎo)散熱;穿通液冷主要針對模塊液冷。

傳導(dǎo)液冷冷板主要用于機(jī)架/機(jī)箱上液體冷卻介質(zhì)的熱交換,屬于普通的熱交換器模式;而穿通液冷冷板主要用于控制模塊上的熱點(diǎn)溫度。對于前者,由于LRM接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一設(shè)計(jì),冷板冷卻介質(zhì)隔離的接觸面積基本一致,擴(kuò)散熱阻的影響較小,其性能和效率主要取決于其模塊與冷板壁面表面換熱特性的變化情況。而對后者,冷板的幾何外形和熱源的特征尺寸相差很大,擴(kuò)散熱阻對其能否達(dá)成設(shè)計(jì)目的有著重要聯(lián)系,通道中的流量/流速,對于熱點(diǎn)的溫度起主導(dǎo)作用。

當(dāng)然,拋開散熱的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求的不同,在具有完整液體通路的設(shè)備上,兩種模型在簡化結(jié)構(gòu)形式上有類似的原理表達(dá):一是設(shè)計(jì)帶有一定類型流道形式的冷板,二是通過冷板橋接構(gòu)成通路的分流軌。以三層冷板結(jié)構(gòu)的模塊化綜合機(jī)架為例,液冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 液冷機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of liquid cooling rack′s structural design

與圖3所示穿通液冷模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖比較可知,兩種設(shè)計(jì)在原理上具有一致性。

圖3 穿通液冷模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic diagram of liquid-flow-through cooling module structural design

4 流道選型

液冷機(jī)架和穿通液冷模塊的冷板具有相同設(shè)計(jì)原理,但針對不同的散熱目的,兩者在流道的選擇上有所不同。

液冷機(jī)架的冷板只需要確保提供LRM穩(wěn)定的冷卻界面,而穿通液冷模塊的冷板則針對模塊內(nèi)部熱點(diǎn)的溫度控制。因此,前者流道選用普通的蛇形流道,后者選用螺旋形[4]或做局部強(qiáng)化的流道類型,如圖4～6所示。圖4所示液冷機(jī)架的冷板屬于典型的單管流道形式,而圖5所示螺旋形流道則屬于單管流道的擴(kuò)展模式——單管并行流道類型,圖6則是單管加局部強(qiáng)化的流道類型。

圖4 液冷機(jī)架冷板流道示意圖Fig.4 Schematic diagram of liquid-cooling rack′s cold plate

圖5 模塊冷板螺旋形流道Fig.5 Spiral flow in cold plate of module

圖6 模塊冷板單管流道局部強(qiáng)化Fig.6 Strengthen the local single-tube flow in module′s cold plate

單管流道阻力大,但冷卻效果好,易于加工,成本低,而多管并行流道阻力小,但相對而言對熱點(diǎn)的溫度控制較差。為兼顧流道阻力小和冷板對熱點(diǎn)的冷卻效果好的要求,需要采用單管并行或單管加局部微小并行通道模式。

螺旋形流道流阻小,但加工難度和成本均較高。單管加局部強(qiáng)化的流道形式則更適合功能模塊內(nèi)部元器件的散熱要求,同時(shí)加工方便,便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

當(dāng)冷板產(chǎn)品面臨批量化、規(guī)?；a(chǎn)時(shí),基于成本、加工周期和可靠性的目的可以采用釬焊翅片的方式來代替銑制加工流道。

5 液流通路

液體冷卻方式的最終實(shí)現(xiàn)是通過液體冷卻介質(zhì)在完整循環(huán)回路中完成帶走電子設(shè)備內(nèi)模塊產(chǎn)生的熱量,加熱后的冷卻介質(zhì)在飛機(jī)平臺的液冷源中二次換熱,冷卻介質(zhì)制冷后重新進(jìn)入管路輸入設(shè)備[3]。

對于設(shè)備而言,所考慮的液流通路設(shè)計(jì)是指以下流程的各個(gè)環(huán)節(jié):液流入口※分流軌※模塊/機(jī)架冷板※匯流軌※液流出口,主要針對液流連接器的選擇、分流/匯流的實(shí)現(xiàn)、液流通路流阻以及各環(huán)節(jié)之間的密封。

液流通路的設(shè)計(jì)涉及到流量的計(jì)算、流阻的計(jì)算與仿真、分流/匯流軌的加工實(shí)現(xiàn)、管路通徑計(jì)算與仿真、液流通路的密封等。

流量按照公式(1)計(jì)算確定。

式中,P為設(shè)備耗散功率(kW);Cp為冷卻介質(zhì)的比熱(kcal/(kg·℃));Qv為冷卻介質(zhì)的流量(m3/h);ρ為冷卻介質(zhì)的密度(kg/m3);Δt為冷卻介質(zhì)的溫升(℃),一般內(nèi)循環(huán)液體冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫度差Δt取值范圍在5℃～7℃。

流阻按照公式(2)計(jì)算確定:

式中,ρ1、ρ2分別為冷卻液進(jìn)出口溫度時(shí)的密度(kg/m3);ρm為冷卻液的平均密度,ρm=(ρ1+ρ2)/2(kg/m3);σ為冷板通道的橫截面積與冷板橫截面積之比;Kc、Ke分別為冷卻液的進(jìn)、出口損失系數(shù);ξ為摩擦系數(shù),求出雷諾數(shù)后查表取值。

由于流道的復(fù)雜性,通常情況下,液流通路的流阻由計(jì)算機(jī)仿真得到。

管路通徑的取值通過公式(3)計(jì)算取定:

式中,Qv為水流量(m3/h),U為水流速(m/s)。

通過公式(1)～(3)計(jì)算并輔以計(jì)算機(jī)仿真來確定設(shè)備對冷卻介質(zhì)的流量要求、流阻的基本情況及管路通徑的要求。

對液流通路中分流/匯流的設(shè)計(jì)一般考慮3種方式,一是采用銑制液流槽加焊接密封蓋板,二是通孔形式,三是管路連接形式。

對設(shè)備內(nèi)部液流通路各連接環(huán)節(jié)的密封則根據(jù)技術(shù)的成熟度選擇焊接密封、密封圈密封或轉(zhuǎn)接頭密封。

6 樣件的測試結(jié)果

首先,模塊樣件所包含的冷板采用了普通銑制多管并行流道,機(jī)架樣件則采用了銑制單管蛇形流道,均單獨(dú)進(jìn)行了1.5 MPa的耐壓測試,證明了其設(shè)計(jì)的密封性和耐壓實(shí)用性。

因?yàn)樯崞骷颖镜臒岷募盁崃髅芏容^低,樣件的實(shí)驗(yàn)測試重點(diǎn)放在液冷機(jī)架上,對穿通液冷模塊僅做了一般功能性實(shí)驗(yàn)評估。對冷板的流動(dòng)阻力曲線[5]和平均換熱系數(shù)進(jìn)行了采樣,所得關(guān)系曲線如圖7和圖8所示。

圖7 冷板流動(dòng)阻力曲線Fig.7 Curve of flow resistance of the cold plate

圖8 冷板平均換熱系數(shù)Fig.8 Curve of average heat transfer coefficient of the cold plate

測試表明,模塊冷板在1 L/min流量以內(nèi)可以達(dá)到約1950W/m2·K的平均換熱系數(shù),對應(yīng)的差壓為0.22 bar左右。對于壓力損失的預(yù)測和計(jì)算數(shù)值相比誤差在20%左右。

通過對機(jī)架樣件的測試[5]、采樣(主要是樣件在環(huán)境溫度分別為35℃、55℃和70℃的不同階段,供液溫度控制在35℃時(shí)各測試點(diǎn)的溫度變化情況),數(shù)據(jù)整理后得到機(jī)架樣件平均熱阻與流量以及流量與壓降的關(guān)系,如圖9和圖10所示。

圖9 機(jī)架平均熱阻-流量關(guān)系圖Fig.9 The rack′s average thermal resistance vs.flow

圖10 機(jī)架流量-壓降關(guān)系圖Fig.10 The rack′s flow vs.pressure drop

以上為測試狀態(tài)下整機(jī)流動(dòng)阻力曲線(24℃、40℃),可見隨溫度的升高,由于液體的密度隨溫度降低,體積流量必然細(xì)微變大,導(dǎo)致壓降略微增加。

7 結(jié) 論

針對液冷模塊、機(jī)架的計(jì)算、仿真和樣件的測試結(jié)果說明了設(shè)計(jì)的可用性,采樣獲得的數(shù)據(jù)說明了液體冷卻具有以下特性:

(1)液冷機(jī)架和模塊的溫度對外界環(huán)境溫度并不敏感,在供液溫度流量一定的情況下,外界環(huán)境的變化對內(nèi)部溫度結(jié)構(gòu)體溫度變化影響不大;

(2)液冷機(jī)架和模塊的溫度對于流量十分敏感,對流量變化相應(yīng)很快;

(3)由于液體的Cp和導(dǎo)熱系數(shù)均高出空氣數(shù)十至上百倍,故其溫度響應(yīng)速度快,時(shí)間常數(shù)小,進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間短;

(4)在環(huán)境溫度變化而流體溫度保持不變時(shí),只需相應(yīng)增加流量;

(5)在流體溫度保持不變時(shí),由于機(jī)架內(nèi)環(huán)境溫度變大會使得流體帶出的熱量增大,導(dǎo)致高溫時(shí)的熱阻較低溫時(shí)高;

(6)在外界環(huán)境較惡劣時(shí),液冷機(jī)架和模塊可將溫度控制在比較低的范圍,且響應(yīng)速度比較快,充分體現(xiàn)了液冷的優(yōu)勢。

采用液體冷卻方式的機(jī)架和模塊結(jié)構(gòu),為高度集成化的新一代航電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展提供了提高熱可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。對于國內(nèi)新一代綜合模塊化航空電子熱控制技術(shù)的選擇,應(yīng)首先考慮液體冷卻技術(shù),用以解決設(shè)計(jì)中面臨的數(shù)百瓦級模塊散熱問題。

目前,國內(nèi)對液體冷卻的研究更多地集中在液體間接冷卻的工程應(yīng)用方面(包括流道類型、工藝實(shí)現(xiàn)),而對該技術(shù)的擴(kuò)展性研究(如測試、接口、冷卻介質(zhì)、污染性影響和其它液冷模式)明顯不足,制約了新一代飛機(jī)平臺上綜合模塊化航空電子的技術(shù)研制,必須立足于液體冷卻技術(shù)的擴(kuò)展性研究工作,盡快完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。

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