艦船電子設(shè)備冷卻技術(shù)研究

劉 永，陳德祥，陳 恩

（1.海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)軍事代表室，江蘇南京210006；2.合肥通用機械研究院，壓縮機技術(shù)國家重點實驗室，安徽合肥230031）

0 引言

由于現(xiàn)代化作戰(zhàn)需求，艦船通信系統(tǒng)、指揮作戰(zhàn)系統(tǒng)、警戒探測系統(tǒng)、大功率武器裝備系統(tǒng)快速發(fā)展，電子設(shè)備的使用也逐漸增加，特別是大功率電子設(shè)備的使用。因為大功率電子設(shè)備使用，電子器件的散熱量也進一步提高，某些關(guān)鍵艦船電子設(shè)備的散熱量甚至達到兆瓦級。研究表明所有的電子元器件都有其工作溫度的上限，設(shè)計精良的電子設(shè)備在長期超溫及不均勻熱應(yīng)力的情況下都會發(fā)生故障或失效；有統(tǒng)計表明，電子器件的溫度每升高l0℃，其可靠性就會降低50%［1］。這些數(shù)據(jù)都說明了冷卻裝置的重要性。同時由于艦船電子設(shè)備工作環(huán)境的要求以及電子設(shè)備技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)越來越難以適應(yīng)電子設(shè)備散熱設(shè)計的需求。如何將新型、高效的冷卻技術(shù)應(yīng)用艦船電子設(shè)備，提高電子設(shè)備的整體性能、可靠性，減小設(shè)備體積、降低設(shè)備重量，是值得深入研究的課題，本文探討了幾種新型冷卻技術(shù)的應(yīng)用。

1 艦船電子設(shè)備冷卻特點

艦船上需要冷卻的電子設(shè)備主要包括各種電子機柜和雷達天線兩類，其內(nèi)部裝有大量集成電路板、芯片、晶體管等發(fā)熱電子元器件。電子設(shè)備冷卻經(jīng)過兩個過程，一是電子設(shè)備內(nèi)部換熱，通過風冷或水冷方式，將電子設(shè)備熱量與自帶冷卻單元如冷板、換熱器進行換熱，達到控制電子設(shè)備內(nèi)部溫度、濕度的目標；二是利用艦船提供的冷卻資源將冷卻單元傳出來的熱量帶走，將熱量排向環(huán)境中，對艦船而言通常是將熱量排向海水，稱為二次換熱。

目前艦船電子設(shè)備內(nèi)部換熱器常用的冷卻方式有風冷、水冷和組合式冷卻等幾種，通常要求提供20℃左右的風，或10～35℃左右的水［2］。風冷分為開放式風冷和閉式循環(huán)風冷兩種，前者直接利用艙室的自然風或艙室空調(diào)風，由于這種方式的三防能力較差，在艦船上應(yīng)用逐步被淘汰；后者空氣經(jīng)過制冷蒸發(fā)器或冷媒水換熱器后，再經(jīng)過處理吹至冷卻部位，可以精準控制冷風的溫度和濕度［3］，在發(fā)熱功率較小的機柜中應(yīng)用較多。水冷有兩種工作方式，一種是流過冷板，電子元器件的熱量通過導(dǎo)熱傳遞到冷板，再由冷卻水帶走；另一種是流過表冷器，例如有的機柜在背部安裝換熱器，冷風從換熱器出口吹出，通過導(dǎo)流罩到達機柜底部完成強迫風冷。有些電子設(shè)備結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要風冷和水冷的組合式冷卻，如某艦載密閉機柜總熱耗2.8kW，采用了組合式冷卻方案，變壓器熱耗1.1kW通過強迫風冷進行冷卻，功率逆變組合熱耗1.7kW，通過四塊液冷冷板進行冷卻［4］。二次換熱系統(tǒng)一般為水系統(tǒng)，冷卻水為淡水或防凍液，根據(jù)冷卻水溫度要求決定它與海水的換熱方式，溫度較高時直接采用水-水換熱，溫度要求低時采用冷水機組供水，冷凝器采用海水冷凝器。

艦船電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比有如下特點［5］：防凝露、防凍、防腐、防塵、全天候工作、電磁兼容要求高、冷卻形式多樣、高可靠性、設(shè)計充分考慮冗余、充分考慮可維修性。

2 新型冷卻技術(shù)

2.1 熱管技術(shù)

2.1.1 熱管工作原理

熱管的基本工作原理如圖1所示，典型的熱管由密閉的管殼、毛細吸液芯和工作介質(zhì)組成。管的一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段，中間為絕熱段。當熱管的一端被加熱時，毛細吸液芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小壓差作用下流向另一端，在冷凝段蒸汽向熱沉放熱凝結(jié)成液體，液體在吸液芯中毛細力作用下回流至蒸發(fā)端。

熱管具有傳熱效率高、重量輕且構(gòu)造簡單、溫度分布平均的特點，可作均溫或等溫器件，熱傳輸量大，熱傳送距離長，沒有主動元件，本身并不耗電，沒有熱傳方向的限制，蒸發(fā)端及凝結(jié)端可以互換，容易加工以改變熱傳輸方向，耐用，壽命長，可靠，易存放保管。

圖1 熱管工作原理

2.1.2 熱管用于密閉機柜冷卻

圖2是熱管用于密閉機柜的工作原理圖［6］，該冷卻方案采用了分離式熱管，以空氣為最終熱沉，蒸發(fā)端位于密閉機柜內(nèi)部，冷凝端位于密閉機柜外部，兩者通過蒸汽導(dǎo)管和回流導(dǎo)管形成環(huán)路，分別安裝在中間隔板兩側(cè)，為增強傳熱效果，內(nèi)外均有風扇進行強制對流換熱。在一定的溫度范圍內(nèi)工作時，散熱器散熱功率與內(nèi)、外循環(huán)進風的溫差有關(guān)，基本呈線性關(guān)系變化，環(huán)境溫度50℃時，2kW熱耗的機柜內(nèi)部溫度不超過70℃。通過熱管將密閉機柜內(nèi)的空氣流動與艙室內(nèi)部空氣流動隔離，可有效解決電子設(shè)備的三防問題。該方案中熱量最終排向艙室，因此只適用于小功率的機柜散熱，若發(fā)熱功率較大，可將冷端改為水冷方式［7］。

圖2 密閉機柜熱管散熱原理

圖3 T／R組件液冷冷卻系統(tǒng)

2.1.3 熱管用于雷達T／R組件冷卻

1）利用熱管簡化冷卻系統(tǒng)

文獻 ［8］通過仿真和試驗研究了用熱管代替液冷對雷達T／R組件進行冷卻，液體冷卻系統(tǒng)（圖3）需要二次冷卻裝置對液體進行再冷卻，使得雷達裝置體積大，機動性差，熱管冷卻系統(tǒng)（圖4）在冷凝端采用自然冷卻或加風機強化冷卻，在保證冷卻效果的同時，系統(tǒng)得到簡化，提高了裝置的可靠性和機動性。

2）減小冷板溫度梯度

熱管利用了工質(zhì)的相變進行換熱，其溫度均勻性好，利用這一特點可降低T／R組件的溫度梯度。文獻 ［9］通過實驗比較了普通冷板和熱管冷板的冷卻效果，熱管冷板是在普通冷板的殼體上嵌入了熱管 （圖5）。冷板溫度分布的試驗結(jié)果 （圖6）表明熱管冷板可以降低芯片的溫度以及不同芯片之間的溫度梯度，使用熱管冷板的系統(tǒng)可以接受更高溫度的冷卻液。

圖4 T／R組件熱管冷卻系統(tǒng)

圖5 熱管在冷板上的位置布局

圖6 冷板溫度分布試驗結(jié)果 （46.3W／cm2）

圖7 平板熱管工作原理示意圖

另一種降低溫度的方法是采用平板熱管，平板熱管是傳統(tǒng)熱管的變形形式，如圖7所示。工作時，加熱面輸入的熱量使吸液芯內(nèi)的液體蒸發(fā)，蒸汽流過整個腔室形成等溫散熱面，然后蒸汽在冷凝器表面上冷凝，通過強制對流，自然對流或液體冷卻帶走熱量，最后，吸液芯的毛細管力使冷凝液返回加熱面。平板熱管對重力不敏感，加熱面和冷凝面上下顛倒仍然可以工作。傳統(tǒng)熱管是只能沿軸向做一維傳遞熱量，平板熱管可沿二維方向傳熱，傳熱面積大，因此平板熱管可以將芯片上較小面積內(nèi)的發(fā)熱轉(zhuǎn)換為較大面積上的發(fā)熱，降低了熱流密度，從而可以通過風冷方式進行冷卻。

圖8 微通道冷板

2.2 微通道技術(shù)

管內(nèi)換熱的試驗關(guān)聯(lián)式表明換熱系數(shù)與管道水力半徑成反比關(guān)系，微通道冷卻技術(shù)就是通過減小流道的水力半徑來增大換熱能力的。微通道通常是指水力半徑在1～1000微米之間的流道，在硅基板或金屬基板上采用光刻、化學(xué)刻蝕、電火花加工、離子束加工以及鉆石切削等技術(shù)制造出微尺度通道，再經(jīng)封裝形成密閉的冷卻通道，圖8是微通道冷板示意圖。根據(jù)微通道內(nèi)是否有相變可將微通道冷板分為單相冷板和相變冷板兩種，這兩種微通道冷板與傳統(tǒng)冷板相比都可大大提高換熱能力。因此微通道冷卻是目前的一個研究熱點，文獻 ［10］對用于相控陣雷達的微通道單相冷板和S形流道冷板的換熱性能進行了比較，結(jié)果表明，與普通S形流道冷板相比，微通道冷板具有更加優(yōu)異的換熱性能。單相微通道冷板的換熱系數(shù)與入口流速相關(guān)，入口流速越大換熱能力越強，但當入口流速達到一定值后，熱源溫度下降速率趨于平緩，繼續(xù)增大流速時，熱源溫度降低效果不明顯，而進、出口壓差會增大，使泵功耗增大，影響冷板經(jīng)濟性［11］。

單相微通道冷板與相變微通道冷板相比，阻力系數(shù)大，沿流動方向上的溫度梯度大，而相變冷板的溫度阻力較小，溫度均勻性更好。由于利用了相變潛熱，同樣的發(fā)熱功率條件下，所需冷卻介質(zhì)的量可以大幅減小，相應(yīng)的外部管路尺寸、供液泵的功率都可以減小，有利于提高冷卻系統(tǒng)的緊湊性。文獻 ［12］的試驗表明有相變換熱與傳統(tǒng)水冷相比，體積重量可減小至少4倍流量減少至少6倍冷卻及散熱能力增加至少10倍。

2.3 噴霧冷卻技術(shù)

液體噴霧冷卻是利用噴嘴噴出的眾多微小液滴成霧狀射向發(fā)熱面，在發(fā)熱表面形成一層冷卻液薄膜，隨著液膜的流動或冷卻液遇熱蒸發(fā)帶走熱量（圖9）。噴霧冷卻冷卻換熱效率高，且冷卻均勻，適用于一些對溫度要求很嚴格的領(lǐng)域。國外EA-6B和全球鷹目前已采用了該冷卻技術(shù)［13］，國內(nèi)該技術(shù)研究還處于起步階段，部分高校的熱工研究機構(gòu)在這方面進行過一些嘗試，也開展了一些試驗性研究，但實際的工程應(yīng)用還未見報道。

圖9 噴霧冷卻示意圖

3 艦船電子設(shè)備冷卻技術(shù)發(fā)展趨勢

由于集成度的提高，艦船電子設(shè)備向大功率、高熱流密度方向發(fā)展，冷卻技術(shù)需要適應(yīng)電子設(shè)備的發(fā)展趨勢，同時還要滿足可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強、維修方便、重量輕、尺寸小等要求。未來艦船雷達的熱流密度可能到的1000W／cm2，這已經(jīng)超出了單相冷卻所能達到的極限，只有利用相變潛熱才能滿足需求，僅從這一點而言未來的艦船電子設(shè)備冷卻技術(shù)必須利用相變潛熱。利用潛熱進行冷卻，單位質(zhì)量冷卻介質(zhì)的攜帶熱量能力高，工質(zhì)流量可大為減少，從而減小冷卻系統(tǒng)的重量和尺寸。熱管、相變微通道冷板以及噴霧冷卻正是利用了相變潛熱，傳熱能力強，被認為是新型的冷卻技術(shù)，但在艦船上應(yīng)用在可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面仍然需要進行研究。未來艦船電子設(shè)備冷卻技術(shù)趨勢是從單相冷卻為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧兝鋮s為主，同時提高相變冷卻技術(shù)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

4 結(jié)論

隨著艦船電子設(shè)備發(fā)熱功率密度的不斷增加，傳統(tǒng)的冷卻方式已不能滿足散熱需求，需采用換熱效率更高的冷卻方式，本文探討了幾種現(xiàn)代電子器件冷卻方法在艦船電子設(shè)備中的應(yīng)用。未來艦船電子設(shè)備冷卻技術(shù)趨勢是從單相冷卻為主轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘧兝鋮s為主，并提高相變冷卻技術(shù)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。