DAM兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

張根烜　王 璐　張先鋒　洪大良

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所　合肥　230088)

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DAM兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

張根烜王 璐張先鋒洪大良

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所合肥230088)

兩相熱虹吸回路由于較高的散熱性能在高功率電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。為了解決四通道數(shù)字陣列模塊的冷卻問題，本文設(shè)計(jì)了一套兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)樣機(jī)并對系統(tǒng)啟動特性、充液量和工作傾角對系統(tǒng)散熱性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及散熱性能滿足指標(biāo)要求，啟動性能和工作性能良好。此外，該系統(tǒng)對熱耗1600 W、局部熱流密度接近100 W/cm2的組件的冷卻效果良好。

熱虹吸回路；冷卻系統(tǒng)；電子設(shè)備；實(shí)驗(yàn)研究；R134a

兩相閉式熱虹吸回路技術(shù)作為重力熱管技術(shù)的一種，一般在熱虹吸回路循環(huán)中不采用毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，工質(zhì)在蒸發(fā)段吸收熱源熱量由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后沿循環(huán)管路進(jìn)入冷凝器，向二次冷源散熱后變?yōu)橐簯B(tài)，在重力作用下回到蒸發(fā)段，完成整個冷卻循環(huán)。由于熱虹吸循環(huán)可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)段和冷凝器的分置，傳熱效率高、結(jié)構(gòu)較為簡單，從而被認(rèn)為在高效換熱器、余熱回收、電子設(shè)備冷卻以及太陽能集熱器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[1-2]。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對兩相流熱虹吸回路技術(shù)從傳熱[3-4]、流動[5-6]、充液率[7]、工作傾角[8]、工質(zhì)[9]和應(yīng)用[10]等方面作了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。

在對熱虹吸技術(shù)進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，越來越多的學(xué)者也在開展熱虹吸技術(shù)在電子設(shè)備冷卻領(lǐng)域的應(yīng)用研究。Khrustalve D等[11]設(shè)計(jì)并測試了一個兩相閉式熱虹吸回路系統(tǒng)用于電子器件散熱的效果。研究結(jié)果顯示，當(dāng)模擬發(fā)熱器件熱流密度為70 W/cm2左右時，相對于冷卻流體，其蒸發(fā)溫度的溫升大約為23 ℃。 Khodabandeh R等[12]設(shè)計(jì)并測試了一個用于熱耗為104 W的CPU散熱的兩相閉式虹吸回路系統(tǒng)。研究結(jié)果顯示，CPU的溫度相對蒸發(fā)溫度的溫升能控制在20 ℃左右。周峰等[13-14]、韋幫遠(yuǎn)等[15]的研究則顯示，兩相閉式熱虹吸回路系統(tǒng)用于電子設(shè)備艙和通信基站也有較好的散熱效果。

雖然目前兩相閉式熱虹吸回路系統(tǒng)用于電子設(shè)備冷卻的研究已經(jīng)非常多，但是用于軍用高功率組件冷卻上的應(yīng)用研究的報道還非常少。數(shù)字陣列模塊(digital array module, DAM)是有源相控陣?yán)走_(dá)陣面的主要功率模塊，隨著雷達(dá)威力和功能需求的日益提升和雷達(dá)功率元器件技術(shù)的快速發(fā)展，DAM的集成化、高功率和高熱耗的特征日益明顯，對高功率高效冷卻技術(shù)的需求也愈發(fā)迫切[16]。

本文針對某型高熱DAM的冷卻問題，進(jìn)行了兩相閉式熱虹吸回路技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)和樣機(jī)性能測試，詳細(xì)分析了冷凝器設(shè)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)充液量等對系統(tǒng)性能的影響，并開展系統(tǒng)啟動特性分析等工作。

1　DAM冷卻系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)要求

針對某典型高熱耗、高熱流密度的四通道DAM的冷卻問題，為提高其冷卻系統(tǒng)布置的靈活性，基于兩相閉式熱虹吸回路技術(shù)設(shè)計(jì)形成一套可供DAM獨(dú)立使用的冷卻系統(tǒng)樣機(jī)，滿足DAM高可靠高效散熱，冷卻系統(tǒng)樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 工作環(huán)境溫度：-40～50 ℃；

2) 貯存溫度：-50～60 ℃；

3) DAM總熱耗≥1500 W，局部區(qū)域熱流密度≥80 W/cm2；

4) DAM功放模塊表面最高溫度≤80 ℃；

5) 蒸發(fā)器厚度不超過10 mm；

6) 冷凝器尺寸不超過600 mm(長)×300 mm(寬) ×60 mm(厚)；

7) 重量≤8 kg。

2　熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成與原理

為兼顧DAM的實(shí)際冷卻性能測試以及DAM與冷卻系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的要求，熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)樣機(jī)采用獨(dú)立的箱體結(jié)構(gòu)，由樣機(jī)箱體(含蓋板、底板和風(fēng)機(jī))、DAM模擬件、熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中熱虹吸回路系統(tǒng)安裝于機(jī)箱內(nèi)部，由蒸發(fā)器、冷凝器以及連接管路組成，冷凝器布置于蒸發(fā)器上方；DAM模擬件安裝于熱虹吸回路系統(tǒng)蒸發(fā)器，位于機(jī)箱下部，其結(jié)構(gòu)參數(shù)、模擬熱源參數(shù)與實(shí)際DAM保持一致。

圖1　熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)樣機(jī)組成圖Fig.1 The composition diagram of the prototyping of two phase thermosyphon cooling system

熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)的工作原理為：基于兩相流熱虹吸機(jī)理，蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)流經(jīng)DAM模擬件吸熱，發(fā)生相變完成一次冷卻后，流向冷凝器，由機(jī)箱風(fēng)機(jī)驅(qū)動空氣流經(jīng)冷凝器完成環(huán)境二次冷卻，在重力作用下流向蒸發(fā)器，從而形成冷卻循環(huán)。

本文中的工作傾角為熱源的安裝面與豎直面之間的夾角，圖1中顯示的位置代表的工作傾角為90°。

2.2 DAM模擬件設(shè)計(jì)

為真實(shí)模擬DAM最嚴(yán)苛工況下的冷卻性能，DAM模擬件金屬殼體的材料及結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)際DAM保持一致，采用電加熱管模擬高功率發(fā)熱器件，采用薄膜加熱器模擬低功率發(fā)熱器件，并采用合理的熱擴(kuò)展和界面接觸材料確保發(fā)熱器件至熱虹吸回路蒸發(fā)器的傳熱路徑與真實(shí)DAM完全一致。高功率熱源分為270 W和60 W兩種，各4個，低功率發(fā)熱器件總熱耗約280 W，DAM模擬件總熱耗約1600 W，270 W熱源未經(jīng)熱擴(kuò)展前局部熱流密度約100 W/cm2。

2.3 熱虹吸回路設(shè)計(jì)

熱虹吸回路采用鋁合金材料，內(nèi)部工質(zhì)選用低沸點(diǎn)工質(zhì)R134a，蒸發(fā)器通過氣管和液管與冷凝器相連，如圖2所示。

1工質(zhì)分配支管2蒸發(fā)器3氣管4液管5冷凝器6充液管圖2 熱虹吸回路示意圖Fig.2 The schematic diagram of two phase thermosyphon cooling system

根據(jù)DAM熱源分布情況，蒸發(fā)器由4個蒸發(fā)模塊并聯(lián)而成，厚10 mm，蒸發(fā)器液態(tài)工質(zhì)分配管路和氣態(tài)工質(zhì)集成管路直徑分別為12.7 mm和25 mm，每個蒸發(fā)模塊的分配支管直徑均為8 mm，確保每個蒸發(fā)模塊的工質(zhì)分配均勻性，從而達(dá)到4個主要熱源區(qū)的一致性散熱，蒸發(fā)器組成如圖3所示。

蒸發(fā)器與模擬熱源之間通過高導(dǎo)熱柔性襯墊相連，蒸發(fā)器模塊焊接形成密閉腔體，可承受10 MPa以上的壓力，蒸發(fā)器模塊腔體內(nèi)部采用微槽群結(jié)構(gòu)，確保蒸發(fā)腔內(nèi)部工質(zhì)與底板熱源區(qū)域的高熱流密度高效一次冷卻。

冷凝器采用平行流微通道換熱器，保證熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)的高效環(huán)境散熱，冷凝器長600 mm，高300 mm，有多組平行的薄翅片和微通道換熱板焊接形成。其結(jié)構(gòu)參見圖1中的冷凝器部分。對不同厚度微通道換熱板的換熱能力與空氣側(cè)流量進(jìn)行分析對比，并開展冷凝器空氣側(cè)流量-壓損特性與冷凝器配備風(fēng)機(jī)流量-壓損特性的匹配分析，最終選用寬度32 mm的微通道換熱板，并配備3個高效軸流風(fēng)機(jī)，冷凝器散熱能力約2 kW，滿足1.5 kW熱耗DAM的環(huán)境散熱要求，符合DAM熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)冷凝器尺寸設(shè)計(jì)要求。

圖3 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structural diagram of evaporator

3　樣機(jī)性能測試

為保證并驗(yàn)證熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，首先針對對冷卻性能影響較大的系統(tǒng)充液量和工作傾角進(jìn)行影響性測試分析，其次針對樣機(jī)的啟動特性和高溫環(huán)境下的冷卻性能進(jìn)行測試分析。所有溫度測試結(jié)果均為模擬熱源溫度穩(wěn)定后一段時間內(nèi)多個時刻測點(diǎn)溫度的平均值。

3.1充液量對系統(tǒng)性能的影響分析

充液量對蒸發(fā)區(qū)工作壓力和系統(tǒng)循環(huán)驅(qū)動能力均存在影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能，是熱虹吸回路循環(huán)系統(tǒng)的一個重要參數(shù)。理論上對應(yīng)一種散熱對象，熱虹吸回路循環(huán)系統(tǒng)存在一個最佳的充液區(qū)間。在工作傾角為10°時，針對0.895 kg、0.935 kg、0.965 kg、1.01 kg、1.04 kg、1.08 kg、1.12 kg和1.17 kg等不同充液量條件下，開展樣機(jī)系統(tǒng)冷卻性能測試，270 W熱源、60 W熱源以及冷凝器進(jìn)出口的溫升測試結(jié)果如圖4所示。

測試結(jié)果表明，在充液量小于1.01 kg時，隨著充液量的提高，系統(tǒng)冷卻性能提升明顯，各熱源溫度不斷下降，在充液量達(dá)到1.01 kg以后，各熱源溫度基本穩(wěn)定，樣機(jī)系統(tǒng)270 W模擬熱源的最高溫升約32 ℃?？紤]到系統(tǒng)工作壓力隨充液量的增加而增大，為兼顧系統(tǒng)冷卻性能和工作穩(wěn)定性，確定本系統(tǒng)最佳充液量為1～1.01 kg，后續(xù)測試工作均基于1.01 kg的系統(tǒng)充液量進(jìn)行。

圖4 不同充液量下樣機(jī)系統(tǒng)溫度測試結(jié)果Fig.4 The test results of the prototyping with different liquid filling quantity

3.2 工作傾角對系統(tǒng)性能的影響分析

熱虹吸回路是重力驅(qū)動的兩相流系統(tǒng)，循環(huán)回路的工作傾角對系統(tǒng)性能影響很大。本文針對不同的工作傾角，測試樣機(jī)系統(tǒng)的冷卻性能。270 W熱源、60 W熱源的溫升測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同工作傾角下樣機(jī)系統(tǒng)溫度測試結(jié)果Fig.5 The test results of the prototyping with different working inclination angles

測試結(jié)果表明，工作傾角為15°時，最有利于系統(tǒng)兩相流循環(huán)驅(qū)動，系統(tǒng)冷卻性能最好，樣機(jī)270 W熱源的最高溫升約30 ℃；當(dāng)工作傾角小于5°或超過17.5°時，系統(tǒng)冷卻性能較差，工作傾角小于5°時，對應(yīng)270 W熱源最高溫升超過35 ℃。

3.3 系統(tǒng)啟動特性分析

考慮到熱虹吸回路系統(tǒng)的啟動特性主要由蒸發(fā)區(qū)相變啟動特性以及系統(tǒng)的兩相流循環(huán)啟動特性決定，因此，熱源特性和工作傾角是對系統(tǒng)啟動特性影響最大的兩個因素，本文針對樣機(jī)全狀態(tài)模擬熱耗1.5 kW、器件熱流密度100 W/cm2的工況，在最不利于啟動的0°和1°的工作傾角下，分析樣機(jī)啟動特性，啟動過程中模擬熱源的溫度分布如圖6和圖7所示。

圖6 樣機(jī)系統(tǒng)0°工作傾角啟動特性Fig.6 The starting characteristic of the prototyping when working inclination angles is 0 degrees

圖7 樣機(jī)系統(tǒng)1°工作傾角啟動特性Fig.7 The starting characteristic of the prototyping when working inclination angles is 1 degrees

測試結(jié)果表明，樣機(jī)在沒有工作傾角的情況下，熱虹吸系統(tǒng)工質(zhì)循環(huán)難度大，系統(tǒng)啟動特性較差，穩(wěn)定時間超過10 min，啟動過程中模擬熱源最高瞬時溫度超過穩(wěn)態(tài)溫度30 ℃以上，不滿足啟動階段的系統(tǒng)冷卻要求；樣機(jī)在1°工作傾角下可以平穩(wěn)啟動，2 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，啟動過程中模擬熱源最高瞬時溫度僅超過穩(wěn)態(tài)溫度2 ℃左右，滿足啟動階段的系統(tǒng)冷卻要求。

3.4 高溫環(huán)境下系統(tǒng)性能分析

為了驗(yàn)證樣機(jī)系統(tǒng)在極限高溫環(huán)境溫度的冷卻性能，針對充液量為1.01 kg、15°工作傾角的樣機(jī)系統(tǒng)，測試環(huán)境溫度為50 ℃下各模擬熱源的溫度，驗(yàn)證高溫環(huán)境下系統(tǒng)性能。

待各模擬熱源(270 W和60 W兩種)測點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，取間隔10 s的5個連續(xù)溫度測試值取均值作為熱源穩(wěn)態(tài)工作溫度。測試結(jié)果表明，在50 ℃極限高溫環(huán)境下，DAM模擬件中最左側(cè)270 W模擬熱源處表面溫度最高，為77.4 ℃，相同類型模擬熱源表面溫度差異小于5 ℃，滿足樣機(jī)系統(tǒng)熱控設(shè)計(jì)要求。

表1環(huán)境溫度50 ℃下模擬熱源溫度測試結(jié)果

Tab.1The temperature of simulated heat sources when ambient temperature is 50 ℃

環(huán)境溫度/℃270W模擬熱源1/℃270W模擬熱源1/℃270W模擬熱源3/℃270W模擬熱源4/℃5077.476.673.172.7

3.5 樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)質(zhì)量為6.5 kg，蒸發(fā)器厚度為10 mm，冷凝器尺寸為600 mm(長)×300 mm(寬) ×32 mm(厚)，滿足樣機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量及尺寸要求。

4　結(jié)論

本文針對典型4通道高功率DAM的冷卻問題，設(shè)計(jì)了一套緊湊型熱虹吸回路冷卻系統(tǒng)樣機(jī)，并在充液量、工作傾角對系統(tǒng)冷卻性能的影響以及系統(tǒng)啟動特性等方面開展了實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)熱耗1600 W、局部熱流密度100 W/cm2的組件高效冷卻，系統(tǒng)啟動性能良好，最佳充液量為1～1.05 kg，最佳工作傾角為10°～17.5°。此外，本系統(tǒng)有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的潛力，可以實(shí)現(xiàn)更高熱耗、更高熱流密度的冷卻能力，在高功率組件級冷卻方面，尤其在實(shí)現(xiàn)組件分布式冷卻方面有廣闊的應(yīng)用前景。

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Experimental Research on a Cooling System with Two Phase Closed Thermosyphon Loop for a DAM

Zhang GenxuanWang LuZhang XianfengHong Daliang

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei， 230088, China)

Two phase thermosyphon loop has a good potential of application in cooling of electronic equipment with high power source because of its relatively high efficiency of heat dissipation performance. To solve the cooling problem of a DAM with four channels, this paper designs a prototype of two phase closed thermosyphon cooling system. The starting characteristic of the system, the influence of the refrigerant charge and working inclination angle on its heat dissipation performance are investigated experimentally in this paper. The results show that the structure and heat dissipation performance of the system match the requirement. It also can be found that the starting characteristic and the working performance of the system are very good. In addition, a 1600 W module with local heat flux near 100 W/cm2is cooled very well by the system in this paper.

thermosyphon loop; cooling system; electronic equipment; experiment research; R134a

0253-4339(2016) 01-0090-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.090

國家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(613164030102)資助項(xiàng)目。(The project was supported by National Security Major Basic Research Project of China( No. 613164030102).)

2015年4月26日

TK124；TB61+1

A

簡介

張根烜， 男，博士，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，(0551)68591772， E-mail: zgxagen@ustc.edu。研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與環(huán)控設(shè)計(jì)。

About the corresponding authorZhang Genxuan, male, doctor, No. 38 Research Institute of CETC,+86 551-68591772, E-mail: zgxagen@ustc.edu. Research fields: the design of the structure and environment control of radar.