機載大長寬比風(fēng)冷均溫冷板優(yōu)化設(shè)計

張笑凡，鄒吾松，陳澤彪

(中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術(shù)研究所， 江蘇 無錫 214063)

引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，機載電子設(shè)備不斷朝著體積微型化和功能多樣化的方向發(fā)展。這意味著在有限的體積空間內(nèi)，電子元器件的熱流密度不斷增大，隨之而來的是電子設(shè)備局部溫度過高的問題日益突出。據(jù)統(tǒng)計，電子設(shè)備失效有55%是由于溫度超過了電子元器件的規(guī)定值[1]。隨著溫度的升高，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長，溫度循環(huán)變化超過15 ℃就會大大縮短元器件的壽命和降低工作可靠性，溫度循環(huán)變化超過20 ℃時，失效率可以增加到8.1倍[2]。

大長寬比冷板在機載電子設(shè)備中有著重要的應(yīng)用，一般用于高熱流密度、陣列排布型熱源的散熱。對于此類冷板的散熱方式，目前行業(yè)內(nèi)較為普遍的做法是采用液冷散熱解決方案。但液冷散熱冷板存在明顯的不足[3]：一是存在冷卻液泄漏隱患；二是附加的液冷源設(shè)備較重。充分利用由載機環(huán)控系統(tǒng)提供的冷卻風(fēng)資源進行散熱是彌補液冷散熱方案不足的有效嘗試。本文在現(xiàn)有風(fēng)冷散熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種全新的大長寬比機載風(fēng)冷均溫冷板。該冷板采用了均溫板技術(shù)和非連續(xù)流道技術(shù)，能充分利用載機冷卻風(fēng)資源，實現(xiàn)較高的散熱效率，同時冷板工作時在表面長度方向上的溫差較小，溫度一致性較好。

1 大長寬比冷板基本結(jié)構(gòu)

1.1 冷板基本結(jié)構(gòu)

一般常規(guī)的風(fēng)冷散熱冷板在結(jié)構(gòu)上均包含冷卻風(fēng)入口、冷卻風(fēng)流道和冷卻風(fēng)出口3個部分。其中，由于使用場合不同，冷板冷卻風(fēng)流道的形狀差異較大，具體可以分為外部流道(翅片)和內(nèi)部流道2大類。外部流道(翅片)可以直接在冷板外表面通過機械加工形成，而內(nèi)部流道的設(shè)計一般采用波紋板焊接工藝或者直接機械加工后焊接而成，流道截面形狀為均勻間隔的矩形。典型的外部流道(翅片)冷板和內(nèi)部流道冷板如圖1所示。

圖1 外部流道冷板和內(nèi)部流道冷板

大長寬比風(fēng)冷散熱冷板是風(fēng)冷散熱冷板的一種特殊形式。由于工作環(huán)境需要，大長寬比風(fēng)冷散熱冷板在結(jié)構(gòu)外觀上呈長條形狀，并且在冷板兩側(cè)長度方向上密集排布了多個熱源。大長寬比風(fēng)冷散熱冷板的結(jié)構(gòu)特點決定了對其進行散熱設(shè)計的難度較大，在冷板內(nèi)部長度方向上設(shè)置內(nèi)部流道是可行性較高的一種方法。圖2是大長寬比風(fēng)冷散熱冷板實際應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式。

圖2 大長寬比風(fēng)冷散熱冷板

由圖2可知，該冷板兩端分別設(shè)有冷卻風(fēng)進出口，方向與冷板長度方向垂直，冷板內(nèi)部為均勻排布的冷卻風(fēng)流道。因受到風(fēng)冷源供風(fēng)流量和供風(fēng)壓力的限制，無法使大長寬比冷板的內(nèi)部流道過密過長。該冷板內(nèi)部單條流道尺寸約為7.2 mm × 3.2 mm × 400 mm。

1.2 冷板初步仿真

利用FLOTHERM軟件對該冷板進行熱流仿真分析。冷板表面總熱耗為128 W，冷卻風(fēng)流量為13 kg/h，初始風(fēng)溫為20 ℃。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 大長寬比風(fēng)冷散熱冷板初步仿真

根據(jù)以上仿真結(jié)果，該冷板表面溫度沿冷卻風(fēng)流動方向(長度方向)遞增，其中冷卻風(fēng)入口附近溫度為31.2 ℃，冷卻風(fēng)出口附近溫度為63.3 ℃，整個冷板表面溫差為32.1 ℃。根據(jù)電子器件工作環(huán)境要求，該冷板工作時溫差過大，不利于電子器件的穩(wěn)定工作。

2 大長寬比冷板優(yōu)化理論分析

2.1 表面換熱理論

根據(jù)傳熱學(xué)理論，在穩(wěn)定傳熱時，表面式換熱器的換熱量Q可以通過下列傳熱學(xué)公式表示：

Q=hAΔt

(1)

式中：h為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為換熱面積，m2；Δt為冷熱流體的平均傳熱溫差，K。

式(1)表明，表面式換熱器的換熱量分別與傳熱系數(shù)、換熱面積和流體溫差成正比。由于電子設(shè)備正常工作溫度范圍的制約，通過增加平均傳熱溫差Δt來增加換熱量的效果十分有限。從冷板結(jié)構(gòu)分析可知，一方面冷板內(nèi)部的流道尺寸受到機械加工條件的制約，不可能過于密集；另一方面受到風(fēng)冷源供風(fēng)流量和供風(fēng)壓力的限制，也無法使冷板的內(nèi)部流道過密過長。因此通過增加冷板的換熱面積來提升冷板的冷卻能力的效果也并不明顯。

傳熱學(xué)理論表明，在穩(wěn)定傳熱工況下，換熱器的傳熱系數(shù)可以按式(2)近似確定：

(2)

式中：k1為熱源與外壁的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；k2為冷風(fēng)與內(nèi)壁的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；δ為管壁厚度，m；λ為管壁材料導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

由于冷板材料的熱導(dǎo)率很大，而管壁厚度又較小，所以式(2)中的δ/λ項可以忽略。因此，要增大傳熱系數(shù)，可以從提高管壁兩側(cè)的換熱系數(shù)k1和k2入手，尤其是提高管壁兩側(cè)中換熱較差一側(cè)的換熱系數(shù)，以獲得較好的強化傳熱效果。提高換熱系數(shù)的方法有很多，原則上可以采用提高冷卻風(fēng)流速、消除流體漩渦死滯區(qū)、增加冷卻風(fēng)的擾動與混合、破壞流體邊界層或?qū)恿鞯讓拥陌l(fā)展、改變換熱面表面狀況等方法來提高換熱系數(shù)。具體到冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可以通過改變冷板內(nèi)部流道形狀來實現(xiàn)上述效果。

2.2 均溫板理論

均溫板一般由外殼、毛細(xì)結(jié)構(gòu)、氣相通道和工質(zhì)組成，常應(yīng)用于散熱不均勻(即冷熱端明顯)的環(huán)境。均溫板的工作原理如下：在均溫板熱端處，工質(zhì)受熱氣化；氣體工質(zhì)進入氣相通道，迅速到達冷端；氣體工質(zhì)在冷端遇冷液化后流至毛細(xì)結(jié)構(gòu)；液體工質(zhì)經(jīng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)回流至熱端。由此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)熱量的平均分布。相較于熱管的一維導(dǎo)熱，均溫板是二維導(dǎo)熱。一般而言均溫板的導(dǎo)熱率可以超過15 000 W/(m·K)。均溫板的原理如圖4所示。

圖4 均溫板原理圖

均溫板外殼材料一般選擇鋁合金，因為鋁合金的高導(dǎo)熱率可以使熱源的熱量更迅速地傳導(dǎo)至均溫板內(nèi)部，而且鋁合金材料便于機械加工和焊接。

要求均溫板工質(zhì)具有高的表面張力、低的粘性和高的導(dǎo)熱系數(shù)，同時工質(zhì)的凝結(jié)點和沸點要滿足發(fā)熱器件的工作溫度范圍，且工質(zhì)不能與外殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以免腐蝕外殼。

均溫板毛細(xì)結(jié)構(gòu)一般有溝槽型、金屬纖維絲網(wǎng)型和燒結(jié)型等形式。由于粉末燒結(jié)材料具有孔隙結(jié)構(gòu)，可以增加工作流體的流速，同時保護及維持液體單向回流，抗加速度能力更強，更適用于機載環(huán)境，因此優(yōu)先選用燒結(jié)型毛細(xì)結(jié)構(gòu)。

3 大長寬比風(fēng)冷散熱冷板優(yōu)化

3.1 大長寬比冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過上述冷板散熱理論分析，對大長寬比冷板的優(yōu)化設(shè)計可以從以下2個方面入手：

1)對冷板內(nèi)部的流道進行非連續(xù)化處理。對于以往連續(xù)的內(nèi)部流道，冷卻風(fēng)在冷板內(nèi)部前進過程中，流道進口段邊界層較薄，因而換熱強度較高，而隨著平直流道的延伸，邊界層的厚度會逐漸增加，換熱強度也會逐漸減弱[4]，從而造成冷板溫度分布不平衡。針對這一問題，將冷板內(nèi)部流道設(shè)計成非連續(xù)結(jié)構(gòu)形式，即使冷板內(nèi)部流道的進口段不斷出現(xiàn)，重復(fù)建立較薄的邊界層，從而增加冷卻風(fēng)的擾動與混合，強化傳熱過程。

2)在冷板內(nèi)部適當(dāng)位置埋入均溫板結(jié)構(gòu)。由于均溫板結(jié)構(gòu)在工作平面上的熱導(dǎo)率為普通鋁合金材料的50倍以上，可通過增加材料熱導(dǎo)率的方法來提高冷板在長度方向上的傳熱效率[5]，以進一步保證冷板長度方向上溫度的一致性。圖5為優(yōu)化后的大長寬比冷板結(jié)構(gòu)。

圖5 大長寬比風(fēng)冷散熱冷板優(yōu)化設(shè)計

3.2 冷板優(yōu)化仿真

利用FLOTHERM軟件對該優(yōu)化后的冷板進行熱流仿真分析?？偀岷臑?28 W，冷卻風(fēng)流量為13 kg/h，初始風(fēng)溫為20 ℃。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 大長寬比風(fēng)冷散熱冷板

根據(jù)以上仿真結(jié)果，該冷板表面溫度沿冷卻風(fēng)流動方向(長度方向)緩慢遞增，其中冷卻風(fēng)入口附近溫度為49.1 ℃，冷卻風(fēng)出口附近溫度為60.9 ℃，整個冷板表面溫差為11.8 ℃，滿足電子器件工作環(huán)境要求，有利于電子器件的平穩(wěn)工作。

4 冷板樣件風(fēng)冷試驗驗證

4.1 實驗環(huán)境

根據(jù)優(yōu)化后的大長寬比風(fēng)冷散熱冷板結(jié)構(gòu)模型，制造了3條參數(shù)完全一致的冷板樣件，并進一步對冷板樣件進行了風(fēng)冷散熱測試。

在冷板表面熱源安裝位置粘貼模擬熱源，每個模擬熱源的發(fā)熱量為8 W，共計16個。8個熱電偶測溫裝置均勻分布在冷板長度方向上，安裝于熱源和冷板之間。冷板進風(fēng)口與軸流風(fēng)機連接，軸流風(fēng)機將提供流量約13kg/h的冷卻風(fēng)，測試時環(huán)境溫度約為24 ℃。當(dāng)熱電偶測溫裝置的溫度曲線趨于平緩時，讀取并記錄冷板表面各位置的溫度，見表1。

表1冷板樣件風(fēng)冷試驗溫度記錄℃

熱源位置1234冷板156.560.762.463.9冷板252.858.460.961.4冷板355.460.46363.2熱源位置5678冷板164.16465.263.3冷板261.361.362.960.7冷板362.763.664.562.4

4.2 對比分析

整理表1中的數(shù)據(jù)并繪制折線圖，如圖7所示。

圖7 冷板各位置測試溫度分布折線圖

在圖7中，冷板1、冷板2和冷板3曲線分別為3條冷板樣件的測試數(shù)據(jù)，仿真曲線則為第3節(jié)中的數(shù)值仿真數(shù)據(jù)。

從單條冷板上的溫度分布狀態(tài)可知，沿冷卻風(fēng)流動方向溫度的變化包括2個部分：

1)溫度快速上升區(qū)。該區(qū)域靠近冷板進風(fēng)口處，由于冷卻風(fēng)溫度較低，換熱效率較高，因而冷板起始溫度較低。

2)溫度緩慢上升區(qū)。該區(qū)域從冷板中段延伸至冷板出風(fēng)口處，在均溫板的作用下，冷板的冷熱端得到一定程度的中和，減緩了冷板溫度上升的趨勢。

從3條冷板樣件的測試數(shù)據(jù)與第3節(jié)的數(shù)值仿真數(shù)據(jù)的對比結(jié)果可知，兩者整體較為接近，總體溫差在4 ℃～7 ℃左右(其中包括4 ℃的環(huán)境溫度差異)，而冷板上溫度隨熱源位置的變化趨勢也保持一致。由此可得出結(jié)論：第3節(jié)中的數(shù)值仿真結(jié)果是可信的，優(yōu)化后的冷板具有更優(yōu)異的散熱效率，且溫度分布更均衡。

5 結(jié)束語

本文在現(xiàn)有風(fēng)冷散熱技術(shù)的基礎(chǔ)上，首先對大長寬比機載風(fēng)冷散熱冷板結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計；然后對優(yōu)化后的冷板進行了數(shù)值仿真和對比分析；最后對該風(fēng)冷散熱冷板樣件進行了散熱對比試驗。結(jié)果表明：優(yōu)化后的風(fēng)冷散熱冷板具有散熱效率較高、表面溫度均勻性好的優(yōu)點，在機載電子設(shè)備散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。