有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的液冷板設(shè)計(jì)

陳蘇蓉

根據(jù)某特定的有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件工作時(shí)溫度較高的狀況，設(shè)計(jì)了液冷板流道，并對(duì)其進(jìn)行校核計(jì)算，對(duì)比仿真結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，冷板起到了冷卻作用，保證了雷達(dá)的正常工作。

【關(guān)鍵詞】T/R組件 冷板計(jì)算 仿真

1 引言

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件的尺寸越來越小，芯片的集成化程度越來越高，導(dǎo)致雷達(dá)陣面的熱耗以及局部熱流密度升高。T/R組件作為相控雷達(dá)的核心電子元器件熱耗急劇增長(zhǎng)，局部熱流密度將超過150W/cm2。T/R組件有其工作溫度的上限，任何設(shè)計(jì)制作精良的電子設(shè)備如果在過熱環(huán)境中長(zhǎng)期工作，將會(huì)面臨工作失效。由于有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的幅相特性和接受增益均受到溫度的影響，因此對(duì)T/R組件進(jìn)行良好的熱設(shè)計(jì)，將組件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量快速帶走，將其工作溫度控制在允許溫度范圍內(nèi)，對(duì)提高有源相控陣?yán)走_(dá)的可靠性具有重要意義。

Lawrence R.Whicker[1]使用液體冷卻系統(tǒng)對(duì)THAAD雷達(dá)進(jìn)行散熱。Kurina[2]提出八種流道類型的液冷板，并利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，最終得出螺旋形流道冷板均溫性更強(qiáng)。Tran等[3]對(duì)結(jié)構(gòu)為500mmx210mm的矩形流道的壓降進(jìn)行了分析計(jì)算，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。徐尚龍等[4]提出了螺旋形結(jié)構(gòu)、平行結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)四種流道形式，利用熱流耦合計(jì)算分析了不同流道對(duì)冷板散熱的影響。張割等[5]以矩形流道冷板作為研究對(duì)象，通過分析冷板進(jìn)出口壓差和換熱系數(shù)，得到基板厚度、高度和寬度是影響緊湊型窄縫冷板換熱性能的重要因素。利用優(yōu)化軟件得到冷板最小壓損情況下的最佳換熱性能參數(shù)。

2 液冷板計(jì)算

2.1 液冷板冷卻性能分析

鑒于T/R組件發(fā)熱量不同，在進(jìn)行校核計(jì)算時(shí)去熱流密度最大的組件chip7作為計(jì)算對(duì)象，假若組件chip7溫升沒有超過允許溫度，則流道證明設(shè)計(jì)合理。T/R組件chip7表面最高溫升主要分為：冷卻液與流道固體壁面之間對(duì)流換熱溫升△T1；組件與冷板安裝面與流道固體壁面熱傳導(dǎo)溫升△T2；組件與冷板之間接觸熱阻引起的溫升△T3；流道內(nèi)表面與流道內(nèi)部冷卻液循環(huán)液流的溫升△T4。組件最高結(jié)溫為：。

（1）冷卻液的定性溫度

（2）冷卻液與流道固體壁面之間對(duì)流換熱溫升

空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與流體的流動(dòng)性有關(guān)，需要判斷流體流動(dòng)屬于湍流還是層流后，所以首先需要求流體的雷諾數(shù)。流道內(nèi)冷卻液流速v=1.39m/s；流道的當(dāng)量直徑De=4.8x10-3m；Re=4347.03，此事冷卻液流動(dòng)狀態(tài)處于過度狀態(tài)流動(dòng)。

（3）組件與冷板安裝面與流道固體壁面熱傳導(dǎo)溫升

（4）組件與冷板之間接觸熱阻引起的溫升

（5）流道內(nèi)表面與流道內(nèi)部冷卻液循環(huán)液流的溫升

組件最高結(jié)溫Tmax=66.025℃。根據(jù)理論計(jì)算，液冷板能將組件的表面溫度降低到66.025℃左右，該液冷板能滿足降低T/R組件溫度的需求。

2.2 液冷板出口壓降分析

冷卻液通過流道后的壓力損失與其流動(dòng)狀態(tài)、冷卻液在流道內(nèi)的流速、流道固體壁面的粗糙度、冷卻液流動(dòng)方向以及流道截面突變程度等因素相關(guān)。利用哈根一波依塞利方程來計(jì)算液冷板出口壓降損失：

3 仿真計(jì)算及分析

本文涉及的液冷冷板主要針特定的T/R組件進(jìn)行降溫散熱，液冷板材料選擇導(dǎo)熱性能較好的鋁。一般來說，水是最具有經(jīng)濟(jì)效益的冷卻劑，但是考慮到其使用范圍的特殊性，采用乙二醇水溶液，流量為2L/min，溫度為40℃。液冷板的流道采用成易于加工成型的矩形結(jié)構(gòu)，流道布置在熱源的正下方。流道及冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

利用SOLIDWORKS將液冷板及T/R組件保存為IGS格式輸出并將其導(dǎo)入ICEPAK中，在一定程度上來說既保證了模型的完整性，也大大縮短了在仿真軟件中的建模時(shí)間。為了減少影響因素，將冷板上的安裝孔、圓角等進(jìn)行修正。在ICEPAK中建立的仿真模型如圖1、2所示。ICEPAK采用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解引擎，它應(yīng)用的是有限體積法支持并算法，對(duì)結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格都能進(jìn)行快速求解。在迭代的過程中，各物理量的殘差值達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，將判定計(jì)算收斂。

根據(jù)流固耦合、熱固耦合傳熱分析求解，需要對(duì)邊界條件進(jìn)行定義。材料參數(shù)：T/R組件屬性為Block，導(dǎo)熱率為20W/（m·K）；液冷板屬性為Solid Block，材料為鋁合金，密度為2707kg/m3，導(dǎo)熱率177W/m·K；流體為50%乙二醇水溶液，，密度為1062kg/m3、比熱容3420J/kg·K、傳導(dǎo)率0.4W/m·K，進(jìn)口溫度為50℃；重力參數(shù)：冷板水平放置，其流動(dòng)不受重力影響，重力開關(guān)關(guān)閉。

3.2 結(jié)果分析

圖3中整個(gè)液冷板上最高溫集中在下方4個(gè)組件上，表面最高溫為65℃，與理論計(jì)算結(jié)果66.025℃相差1.025℃，誤差值為0.016，8個(gè)組件之間最大溫差為7℃，綜上所述，仿真計(jì)算結(jié)果具有可參考性。流道內(nèi)冷卻液溫度分布云圖見圖4。圖4中可以明顯看出，冷卻液進(jìn)口溫度最低，隨著經(jīng)過T/R組件的數(shù)量越來，帶走的熱量越多，冷卻液溫度也隨之升高，冷板上半部分冷卻效果較好。

根據(jù)圖5流道截面壓力云圖，流道入口處壓力最大，隨著流道的延伸，壓力值不斷降低，每遇到一個(gè)90°拐角壓力值驟降。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，液冷板進(jìn)出口壓差為0.126MPa，與理論計(jì)算值相差0.03MPa，誤差值為0.24。

根據(jù)圖6、7所示，流道中紅色部分為冷卻液流速較快區(qū)域，主要分布在每一次流道的拐角處，流道拐角外側(cè)速度最快，流道中軸線處流速相對(duì)穩(wěn)定。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是，流道拐角處能量交換頻率加快紊流效果增強(qiáng)，由此可見在流道中增加一定數(shù)量的拐角，可以增強(qiáng)換熱性能。

4 本章小結(jié)

本章首先對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件冷卻方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對(duì)比強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻效果，提出強(qiáng)迫液冷的散熱方案。根據(jù)具體的T/R組件分布，設(shè)計(jì)了一種流道，并對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算，利用仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)分析。對(duì)比仿真結(jié)果和理論結(jié)果相符，驗(yàn)證了仿真軟件的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]Javier A.Narvaez，Hugh Thornburg，Markus P.Rumpfkeil， et al.Computational modeling of a microchannel cold plate：Pressure，velocity，and temperature profiles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，78：90-98.

[2]Jundika C.Kurniaa，Agus P.Sasmitoa， Arun S.Mujumdar，Numerical investigation of laminar heat transfer performance of various cooling channel designs[J].Applied Thermal Engineering 2008（28）：1101-1107.

[3]Ngoctan Tran，Chunping Zhang， ThanhtrungDang，Jyh-tong Teng， Numerical and experimental studies on pressure drop and performance index of an aluminum microchannel heat sink[C].2012 International Symposium on Computer，Consumer and Control，2012：252-257.

[4]徐尚龍，秦杰，胡廣新.芯片冷卻用微通道散熱結(jié)構(gòu)熱流耦合場(chǎng)數(shù)值研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2011（23）：2863-2867.

[5]張割，問建.密集型窄縫矩形通道冷板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械制造，2012（11）：14-17.

作者單位

江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇省鎮(zhèn)江市 212003