微/小通道冷板在某型相控陣天線上的對(duì)比分析*

翁 夏

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

微/小通道冷板在某型相控陣天線上的對(duì)比分析*

翁 夏

(西南電子技術(shù)研究所， 四川 成都 610036)

微通道換熱是近年來(lái)電子機(jī)械工程抗惡劣環(huán)境研究的熱點(diǎn)之一。由于其具有良好的換熱特性，現(xiàn)在逐漸被應(yīng)用于高熱流密度電子設(shè)備的冷卻散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。相控陣天線具有熱源集中、熱流密度極高等特點(diǎn)。文中將新型微通道冷板與某型相控陣天線進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提出了一種新的相控陣天線冷卻方式。同時(shí)，通過(guò)基于有限體積法的仿真分析表明，微通道冷板相較于小通道冷板更有利于控制天線中T/R模塊的溫度。

微/小通道冷板；相控陣天線；流動(dòng)特性；有限體積法；傳熱分析

引 言

伴隨著微機(jī)械與電子技術(shù)的高速發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在20世紀(jì)80年代中期，單元微電子集成芯片上集成106個(gè)基本元件；到本世紀(jì)初，芯片上的集成元件數(shù)量己經(jīng)增長(zhǎng)到了驚人的108個(gè)[1]。隨著單元芯片集成元器件數(shù)量的增加，工作過(guò)程中的發(fā)熱量也隨之劇增，而這些熱量形成的高溫環(huán)境極大地降低了IC器件的性能，甚至引起系統(tǒng)的崩潰。在這種情況下，微通道憑借其良好的換熱特性開(kāi)始走進(jìn)了各項(xiàng)高熱流密度的電子工程項(xiàng)目。已有一些文獻(xiàn)對(duì)微通道的換熱性能做了理論上的分析[2-3]。

相控陣天線在現(xiàn)代軍事電子領(lǐng)域具有相當(dāng)重要的地位，其進(jìn)步除了依賴(lài)有關(guān)電子器件的發(fā)展以外，同時(shí)也依靠于有關(guān)結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)的進(jìn)展[4]。由于相控陣天線陣面往往具有相當(dāng)高的熱流密度，因此，熱控技術(shù)成了制約其發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。傳統(tǒng)的相控陣天線一般使用液冷方式，采用陣面冷卻或冷板冷卻的方式對(duì)其溫度進(jìn)行控制。國(guó)外也有文獻(xiàn)探討過(guò)這類(lèi)冷卻方式[5]。

如果將相控陣天線和微通道冷板進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，則有望進(jìn)一步突破相控陣天線高熱流密度的瓶頸，探索出一條相控陣天線新型熱控技術(shù)的道路。本文擬對(duì)小通道冷板與微通道冷板進(jìn)行基于有限體積法的熱和流動(dòng)數(shù)值仿真，并通過(guò)對(duì)比分析其計(jì)算結(jié)果，對(duì)新型微通道冷板在相控陣天線上的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 相控陣天線及其冷板結(jié)構(gòu)

某相控陣天線的發(fā)熱模塊主要為T(mén)/R組件模塊和電源模塊(如圖1所示)。

圖1 某相控陣天線的發(fā)熱模塊結(jié)構(gòu)

冷板安裝在發(fā)熱模塊的兩側(cè)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。冷板均采用3A21鋁合金，使用螺裝的方式進(jìn)行安裝。該冷板流道分為上下兩個(gè)部分：上部主要冷卻T/R組件模塊，下部主要冷卻電源模塊，外形尺寸為113.5 mm×110.3 mm。冷板使用65#防凍液(乙二醇的水溶液)作為工質(zhì)，在內(nèi)部穿通流動(dòng)。

微/小通道冷板在設(shè)備上的安裝方式完全一致，冷板內(nèi)部流道的腔體面積也完全相同，僅在通道尺寸和數(shù)量上存在差異。本文通過(guò)控制結(jié)構(gòu)的一致性來(lái)保證對(duì)比分析的有效性。

圖2 冷板結(jié)構(gòu)

冷板參數(shù)如表1所示。該表中，流道水力直徑采用4×面積/周長(zhǎng)計(jì)算得出。由表可見(jiàn)，微通道冷板的流道水力直徑為小通道流道水力直徑的39.38%。

表1 微/小通道冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 計(jì)算原理

本文擬采用FloEFD for NX進(jìn)行數(shù)值模擬。FloEFD同其他商業(yè)流體仿真軟件類(lèi)似，也采用有限體積法作為基本的計(jì)算思想。有限體積法將計(jì)算域劃分為很多控制體，以節(jié)點(diǎn)來(lái)代表控制體，將控制方程在控制體上作積分并導(dǎo)出離散化的方程。用此法導(dǎo)出的離散方程可以保證是守恒的，其積分形式的守恒方程為[6]

式中，從左至右的4項(xiàng)依次為：瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)。Ω代表FVM方法當(dāng)中的控制體；φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。

2.2 邊界條件

對(duì)于小通道冷板和微通道冷板，以下邊界條件的設(shè)定是一致的。環(huán)境溫度按照70 ℃進(jìn)行設(shè)置；冷板入口工質(zhì)(65#防凍液)流量為1 L/min，溫度為35 ℃；每個(gè)T/R組件模塊的熱耗為12 W，熱耗賦于模塊內(nèi)部的芯片上；電源模塊的熱耗為50 W。

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.3.1 流場(chǎng)分布

小通道和微通道的流道仿真結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4，分別對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，小通道中的最高流速為2.8 m/s，微通道中的最高流速為4.5 m/s，微通道的最高流速約比小通道提高了60.7%；小通道的壓損為26 628 Pa，微通道的壓損為70 150 Pa，微通道的壓損約比小通道提高了163.4%。整體來(lái)看，雖然微通道的壓損較高，但同樣由于壓損較高的原因，使得其速度分布比小通道更好。

圖3 流道速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖4 流道壓力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

2.3.2 模塊表面溫度場(chǎng)

微/小通道的T/R組件模塊表面溫度分布如圖5所示。采用小通道的模塊表面溫度分布在41 ℃～44 ℃范圍內(nèi)，采用微通道的模塊表面溫度分布在36 ℃～37 ℃范圍內(nèi)?？梢?jiàn)，使用微通道冷板后，模塊表面溫度得到了明顯的抑制，模塊表面熱點(diǎn)溫度相較于液體工質(zhì)入口溫升下降了77.4%。而且，T/R組件模塊的表面溫度分布更加均勻，這有利于提高相控陣天線的相位一致性指標(biāo)。

圖5 T/R組件模塊表面溫度分布

2.4 冷板換熱面?zhèn)鳠釋W(xué)分析

冷板的換熱面結(jié)構(gòu)如圖6所示，流道底面面積相等，面平均對(duì)流換熱系數(shù)為

式中：Q為通過(guò)換熱面的換熱量；A為換熱面積；ΔTavg為換熱面兩端平均溫差，通過(guò)數(shù)值計(jì)算中兩端網(wǎng)格的傳熱溫差得出。

圖6 冷板換熱面結(jié)構(gòu)

根據(jù)仿真結(jié)果，該換熱面上的傳熱學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。由表2可知，采用微通道冷板之后，面平均對(duì)流換熱系數(shù)提高了21.72%，面平均熱流密度提高了25.97%。因此，使用微通道后，對(duì)流換熱系數(shù)有了顯著提高，導(dǎo)致?lián)Q熱熱流密度上升，平均溫度下降。

表2 換熱面上的傳熱學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文使用外形尺寸同小通道冷板完全一致的微通道冷板，在邊界條件等同的情況下對(duì)某相控陣天線進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)從流動(dòng)的角度看，使用微通道冷板后流道的壓損上升、流速加快并且流動(dòng)分布更好；

2)從傳熱的角度看，使用微通道冷板后對(duì)流換熱系數(shù)顯著上升，從而能夠更好地控制設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱模塊的溫度。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，由于微通道具有更小的水力直徑，因此可以考慮在重量和體積上進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，由于其在有限空間內(nèi)具有良好的設(shè)計(jì)性，因此可以與天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)以達(dá)到結(jié)構(gòu)功能集成的目的。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，微通道冷板具有優(yōu)良的流動(dòng)和傳熱特性，將在未來(lái)的相控陣天線上得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

[1] 顏曉紅. 微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)沸騰的實(shí)驗(yàn)和理論研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所, 2006.

[2] KANDLIKAR S G. Fundamental issues related to flow boiling in minichannels and microchannels[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2002, 26(2): 389-407.

[3] LIU D Y, WENG X, XU X G. Experimental study on the heat transfer coefficient of water flow boiling in mini/microchannels[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2011, 35: 1932-1937.

[4] 張光義, 趙玉潔. 微電子機(jī)械系統(tǒng)在相控陣天線中的應(yīng)用[J]. 電子機(jī)械工程, 2004, 20(6): 1-13.

[5] LAGE J L, WEINERT A K, PRICE D C, et al. Numerical study of a low permeability microporous heat sink for cooling phased-array radar systems[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1996, 39(17): 3633-3647.

[6] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1988.

翁 夏(1987-)，男，助理工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工作。

Comparison Analysis of Micro/Mini-Channel Cold Plate on a Phased Array Antenna

WENG Xia

(SouthwestChinaInstituteofElectronicsTechnology,Chengdu610036,China)

Heat convection in micro-channel is one of the focused research points in the field of anti-adverse environment in electro-mechanical engineering. Micro-channel heat convection is gradually applied to cooling systems of high heat flux electronic equipment because of its good heat transfer property. Phased array antenna has the characteristics of concentrated heat source and extremely high heat flux. A new type of micro-channel cold plate and a type of phased array antenna are organically integrated, and a new cooling method for phased array antenna is presented. Meanwhile, according to the numerical simulation based on finite volume method (FVM), micro-channel cold plates are more advantageous than mini-channel cold plates for controlling the temperature of T/R modules in antenna.

micro/mini-channel cold plate; phased array antenna; flow characteristics; finite volume method (FVM); heat transfer analysis

2014-06-05

國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目(JCKY2013210B004)

TK124;TN821+.8

A

1008-5300(2014)05-0016-03