高熱流密度陣列的溫度一致性工程化設(shè)計研究

翁夏

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高熱流密度陣列的溫度一致性工程化設(shè)計研究

翁夏

（西南電子技術(shù)研究所，成都 610036）

目的 研究一種提高高熱流密度條件下熱源陣列溫度一致性的工程化設(shè)計方法。方法 基于微通道內(nèi)相變傳熱的原理，在結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新的設(shè)計保證通道內(nèi)各處冷卻液的溫度盡量在工質(zhì)的相變點附近，從而縮小各熱源之間的溫度差異。對一體化綜合熱物理樣機(jī)進(jìn)行數(shù)字建模，通過數(shù)值模擬的方法，對樣機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的流動和傳熱分析。結(jié)果 驗證了集總參數(shù)仿真的可行性，并獲得了樣機(jī)的流場和溫度場分布。結(jié)論 該樣機(jī)經(jīng)由微通道相變強(qiáng)化傳熱之后，各熱源間具有較小的溫差，可進(jìn)行工程化應(yīng)用。

溫度一致性；微通道；相變傳熱；一體化設(shè)計

近年來，隨著有源相控陣天線技術(shù)的發(fā)展，天線的熱設(shè)計越來越成為制約產(chǎn)品發(fā)展的技術(shù)瓶頸。其中，TR組件的溫度一致性將直接影響到天線性能。趙星惟[1]等針對星載多波束天線幅相誤差對天線性能影響較大的問題，對天線的射頻通道在不同溫度下進(jìn)行了幅相特性的實驗測定，發(fā)現(xiàn)不同通道的幅相特性與通道溫度的關(guān)系曲線在給定溫度區(qū)間內(nèi)基本呈線性關(guān)系。因此，在溫度均勻性較差的情況下，必須進(jìn)行補償，從而消除幅相誤差。

如果通過熱控的方式，盡量減小天線各通道間的溫度差異，則可以從物理上提高多波束天線的幅相一致性，消除幅相差異對天線性能帶來的不良影響。近年來，國內(nèi)外已有部分研究人員對提高溫度一致性進(jìn)行了相關(guān)研究。

Yao Lei[2]等研究了臨近空間飛行器上TR組件的均熱性對光學(xué)、電子和機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，并得出了設(shè)備內(nèi)部TR組件的溫度場分布。辛春鎖和何小瓦[3]對低導(dǎo)熱材料表面的溫度均勻性進(jìn)行了研究，提出采取分區(qū)加熱的方法來提高整個表面的溫度均勻性。M. Goodarzi和E. Nouri[4]對換熱器壁溫的均勻性進(jìn)行了研究。他們采用了一種新型的雙通布局，研究發(fā)現(xiàn)這一布局對平行板換熱器的壁溫均勻性起到了良好的影響。他們的研究說明可以通過幾何上布局的調(diào)整來提高溫度均勻性。張磊[5]等同樣對板式熱沉換熱性能及影響其壁面溫度均勻性的因素進(jìn)行了研究。

針對一些特殊的熱源，也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。林春景[6]等以電動汽車用方形磷酸鐵鋰電池為研究對象，研究了高導(dǎo)熱石墨片對提高鋰離子電池溫度均勻性的作用。程昀[7]等針對目前動力鋰電池模塊散熱困難的問題，建立了三維熱仿真模型，并使用紅外成像進(jìn)行了驗證。其結(jié)果表明，冷板冷卻具有平衡電池模塊溫度場的作用，其降溫效果和溫度均勻性優(yōu)于空氣冷卻。周馳[8]等對使用LED為模擬熱源的系統(tǒng)進(jìn)行了研究。劉靖[9]等使用多孔微熱沉的方式實現(xiàn)了LED陣列基板的溫度均勻性優(yōu)化。

通過微小通道對多熱源實施冷卻是目前提高溫度一致性的研究熱點之一。毛章明[10]對樹形分叉微通道散熱器進(jìn)行了研究，仿真結(jié)果表明，在給定邊界下該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)溫差小于1 ℃的溫度均勻性。Yu-tong Mu[11]等通過數(shù)值分析的方法，研究了不同流場形態(tài)下新型小通道散熱器的溫度均勻性。Chuan Leng[12]等使用三維流固耦合模型的方法對雙層微通道散熱器進(jìn)行了優(yōu)化，通過單目標(biāo)和多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化方法的對比，得出了提高雙層微通道散熱器壁溫均勻性的優(yōu)化結(jié)果。Xiao-bing Luo和Zhang-ming Mao[13]介紹了一種復(fù)雜熱源情況下使用微通道冷板提高溫度一致性的建模和設(shè)計方法，經(jīng)優(yōu)化，復(fù)雜熱源的溫差被控制在了1.3 ℃的范圍內(nèi)。趙越[14]對大功率GaAs光導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行了研究，設(shè)計了矩形微槽微通道散熱器，使用水和FC-40作為工質(zhì)，實現(xiàn)了較好的溫度均勻性。

使用微通道來控制高熱流密度下陣列的溫度一致性是一個發(fā)展趨勢，文中將通過仿真的方式，研究通過微通道內(nèi)沸騰換熱的方式對設(shè)備進(jìn)行溫度一致性熱控。

1 工作原理

文中擬設(shè)計一種具有高熱流密度的多熱源樣機(jī)，使用微通道沸騰冷卻的方式進(jìn)行熱控。樣機(jī)采用氟碳化合物FC-72作為設(shè)備的冷卻工質(zhì)，其沸點為56 ℃，傾點為－90 ℃，蒸發(fā)潛熱為88 J/g，密度為1680 kg/m3，比熱容為1100 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 W/(m·℃)。若認(rèn)為工質(zhì)FC-72在1 ℃的區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)沸騰，則在此區(qū)間內(nèi)其蒸發(fā)潛熱的等效比熱容為：

其值為88 000 J/(kg·℃)，是該工質(zhì)液態(tài)比熱容的80倍。從溫升的角度可理解為：液態(tài)時該工質(zhì)溫度提高80 ℃所需的熱量，在相變時，僅能夠支持1 ℃的溫升。因此，利用這樣的原理，對樣機(jī)的熱控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，使得各器件下方通道內(nèi)的工質(zhì)溫度都處于沸點附近，則可盡量減少各器件之間的溫差。

除此之外，還需考慮到熱源安裝面和工質(zhì)之間的熱阻。熱源與工質(zhì)之間的傳熱模型如圖1所示。熱源安裝面溫度b和通道壁面溫度w之間存在安裝面接觸熱阻和結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱阻，w和流體溫度f之間存在通道對流熱阻。對于相同安裝方式的熱源而言，安裝面接觸熱阻一致；對于相同傳導(dǎo)路徑的熱源而言，結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)熱阻一致。因此，為保證各熱源安裝面與流體溫度之間溫升的一致性，必須盡量縮小通道對流熱阻的差異性，即盡量縮小對流換熱系數(shù)之間的差異。

圖1 熱源與工質(zhì)之間的傳熱模型

Li和Wu[15]等基于實驗數(shù)據(jù)提出了微小通道內(nèi)換熱關(guān)聯(lián)式：

式中：為沸騰數(shù)；為Bond數(shù)，Re表示特征長度為的雷諾數(shù)?？梢钥闯?，從通道幾何設(shè)計的角度，必須通過保持各熱源下方的通道幾何尺寸一致，保證特征尺寸和工質(zhì)流速的一致，從而保證各通道中工質(zhì)流動時雷諾數(shù)的一致性。

2 樣機(jī)設(shè)計

該結(jié)構(gòu)與熱控一體化樣機(jī)由模擬電源單元、冷卻單元、模擬芯片單元和天線陣面單元構(gòu)成，如圖2所示。模擬電源單元在樣機(jī)的底部，以螺裝的方式安裝在冷卻單元底部，中間通過導(dǎo)熱襯墊強(qiáng)化傳熱。冷卻單元由下冷板、上冷板和隔熱層構(gòu)成，上述兩塊冷板分別由上下兩個部分焊接在一起，中間使用一層PTFE板隔離上下兩個發(fā)熱區(qū)域，作近似絕熱處理以減少上冷板與下方的熱交換。模擬芯片單元采用導(dǎo)電銀漿粘接在上冷板上，天線陣面單元螺裝在上冷板上，液冷快插接頭以法蘭的形式聯(lián)接在冷板上。

樣機(jī)流道如圖3所示。液冷工質(zhì)（FC-72）由下冷板進(jìn)入樣機(jī)，首先對模擬電源單元進(jìn)行冷卻，之后進(jìn)入上冷板。上冷板上方是模擬芯片單元，熱源穩(wěn)定發(fā)熱并保持100 W/cm2的熱流密度，工質(zhì)以兩相流的方式在沸點（56 ℃）附近通過上冷板，此時工質(zhì)不斷吸熱，并持續(xù)冷卻模擬芯片單元。最后FC-72從上冷板中流出樣機(jī)，完成一次循環(huán)。工質(zhì)在微通道中被持續(xù)加熱，部分發(fā)生相變轉(zhuǎn)化為了氣相，并以汽泡的形式存在。

圖2 樣機(jī)結(jié)構(gòu)

圖3 樣機(jī)流道

3 數(shù)值模擬

3.1 輸入條件

文中采用FloEFD軟件使用有限體積法進(jìn)行計算。模擬芯片下方的微通道深度為1.5 mm，寬度為0.4 mm。工質(zhì)流量為0.2 L/min，環(huán)境溫度為25 ℃。由于過程中發(fā)生相變，工質(zhì)的比熱容需要使用集總參數(shù)的方式進(jìn)行設(shè)置，其曲線如圖4所示。在相變點處，其比熱容發(fā)生了極大的提高，通過這一方式來進(jìn)行數(shù)值模擬中的等效。

圖4 FC-72比熱容的輸入曲線

3.2 流場計算結(jié)果

冷板工質(zhì)溫度場如圖5所示，16條微通道中的流體溫度保持高度一致，均在沸點56 ℃附近，各流道中心位置的工質(zhì)溫度差被控制在了1.7 ℃的范圍之內(nèi)。冷板工質(zhì)速度場如圖6所示，各通道流速均勻性較好，各流道中心位置的工質(zhì)宏觀流速差被控制在了0.035 m/s的范圍之內(nèi)。

3.3 模擬芯片計算結(jié)果

模擬芯片單元仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，溫度最高的熱源表面溫度為97.7 ℃，溫度最低的熱源表面溫度為94.3 ℃，溫差為3.4 ℃，被控制在了較好的水平上。

圖5 冷板工質(zhì)溫度場

圖6 冷板工質(zhì)速度場

圖7 模擬芯片單元仿真結(jié)果

4 結(jié)論

文中通過對結(jié)構(gòu)和熱控一體化樣機(jī)進(jìn)行建模，在冷卻工質(zhì)沸騰換熱的條件下進(jìn)行了流動和傳熱數(shù)值模擬，獲得了相關(guān)仿真結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

1）可以使用比熱容階躍設(shè)置（及集總參數(shù)）的方式對通道內(nèi)工質(zhì)的傳熱過程進(jìn)行近似的數(shù)值模擬。

2）可通過計算得出一定的流量，使得所有熱源下方的工質(zhì)溫度均處于沸點附近。

3）通過分析計算，熱源陣列的表面溫度范圍在94.3~97.7 ℃的范圍內(nèi)，溫度控制較好。若環(huán)境溫度增加，則可通過提高流量的方式，將工質(zhì)溫度保持在沸點附近，從而保證熱源表面溫度不會有大的變化。

4）熱源陣列的溫度一致性被控制在3.4 ℃，極大地提高了工程化條件下的均溫性。說明該設(shè)計方法可以應(yīng)用于工程項目，以保證高熱流密度條件下熱源陣列的溫度一致性。

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Engineering Design on Temperature Uniformity of Source Array with High Heat Flux

WENG Xia

(Southwest Institute of Electronics Technology, Chengdu 610036, China)

Objective To research an engineering design technique on temperature uniformity of TR components in High Heat Flux Methods Based on the principle of phase change heat transfer in micro-channel, the temperature in micro-channel everywhere was kept within the temperature nearby the phase change point to reduce the difference between heat sources. The digital model for the integrated thermal physical prototype was set up. Stable flow and heat transfer of the prototype were analyzed by numerical simulation. Results The feasibility of lumped parameter simulation was verified. The distribution of flow field and temperature field were obtained. Conclusion After enhancing heat transfer by phase change in micro-channel of the prototype, the temperature difference between different heat sources is small enough. It might be applied in engineering programs.

temperature uniformity; micro-channel; phase change heat transfer; integrated design

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.015

TJ07；TG174

A

1672-9242(2017)08-0079-05

2017-03-18；

2017-04-22

國防基礎(chǔ)科研重點項目（JCKY2013210B004）

翁夏（1987—）男，四川樂山人，碩士，工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計研究工作。