一種機(jī)載液冷系統(tǒng)的流量分配設(shè)計方法

謝明君，孫彤輝，李姣姣

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，電子設(shè)備的功率不斷增加，體積日益縮小，熱密度急劇上升，電子設(shè)備因溫度升高導(dǎo)致的故障率越來越高[1-5]。機(jī)載電子設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊，空氣密度隨高度急劇下降等諸多不利于散熱的因素，解決大功率、高熱密度情況下機(jī)載電子設(shè)備的散熱是特種飛機(jī)環(huán)境控制中一個十分關(guān)鍵的問題，也是特種飛機(jī)完成使命的一個重要保證[6-7]。

針對大功率電子設(shè)備的冷卻問題，目前國內(nèi)外先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)和特種飛機(jī)均廣泛采用液體冷卻系統(tǒng)，美國的F-22采用機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)和液體冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的一體化綜合能量管理系統(tǒng)(ECS/TMS)[8-11]，A-50，E-3C和SU-27等也都采用了液冷系統(tǒng)。載機(jī)冷卻資源往往受到嚴(yán)格限制，機(jī)載液冷電子設(shè)備運行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性很大程度上取決于各系統(tǒng)的液冷流量分配設(shè)計，因此，設(shè)計一種優(yōu)良的液冷系統(tǒng)流量分配方案迫在眉睫。本文利用流體仿真軟件6SigmaET對液冷系統(tǒng)進(jìn)行流體仿真并開展了樣機(jī)測試工作，提出了一種液冷流量分配設(shè)計方法，使液冷系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性及廣泛的應(yīng)用場景。

1 流量分配要求

某機(jī)載干擾分系統(tǒng)包含10個功放模塊和2臺5U功放電源分機(jī)。單個功放模塊外形尺寸為334 mm×195 mm ×54 mm，內(nèi)部有4個功率管。單個功率管熱功耗為175 W，底座材質(zhì)為純銅，尺寸為30 mm×15 mm×5 mm，通過焊接的方式安裝在功放模塊盒體底板。電源分機(jī)內(nèi)部有4個電源模塊，單個模塊熱功耗為262.5 W。系統(tǒng)熱功耗合計9 600 W。載機(jī)提供1路溫度為50 ℃，流量為37 L/min冷卻液(65號冷卻液，GJB 6100-2007)，流量分配系統(tǒng)需滿足以下要求：

① 功放模塊芯片殼溫≤95 ℃；

② 各功放模塊芯片的殼溫溫差不超過8 ℃；

③ 電源模塊殼溫≤90 ℃；

④ 液冷系統(tǒng)的壓力損失≤0.3 MPa；

⑤ 干擾分系統(tǒng)滿足19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜安裝要求。

本文通過解決在實際工程設(shè)計中遇到的機(jī)載干擾分系統(tǒng)中的流量分配問題，設(shè)計了一種較優(yōu)的液冷流量分配方法。

2 流量分配設(shè)計方法

將1路冷卻液合理分配給多個液冷模塊(冷板)，滿足系統(tǒng)內(nèi)所有電子設(shè)備最高溫度、溫度一致性和液冷系統(tǒng)壓力損失要求，是一個典型液冷流量分配設(shè)計問題。丁文杰[12]針對U型并聯(lián)多通道流量分配問題，提出了一種采用無量綱參數(shù)支管流量比β和流量喪失比Δ來預(yù)估分配是否均勻的方法。關(guān)宏山[13]對某相控陣?yán)走_(dá)液冷系統(tǒng)的分布式液冷系統(tǒng)流量分配問題進(jìn)行了論述，提出了增大液冷模塊與管網(wǎng)流阻之間的比值，并在液冷模塊支路出口設(shè)置孔板調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)流量精確分配。朱春玲[14]采用限流閥、限流環(huán)地面流量分配試驗的方式進(jìn)行流量分配設(shè)計。趙亮[15]提出了一種液冷電子設(shè)備流量分配的數(shù)學(xué)模型和計算方法，針對關(guān)鍵系數(shù)進(jìn)行了討論。

解決此類問題的常規(guī)方法是建立整個液冷系統(tǒng)的熱仿真模型，通過調(diào)整內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)迭代計算逼近設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計目標(biāo)不止一個時，仿真對計算資源的需求巨大，迭代工作量呈指數(shù)增長，甚至無法求得結(jié)果。

針對功放+電源這類產(chǎn)品的液冷流量分配問題，優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示。首先，總體方案設(shè)計，確定系統(tǒng)的流量分配方式和各支路目標(biāo)流量；其次，進(jìn)行各支路冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計，單個冷板內(nèi)部對最小散熱單元采用相同的模塊化流道結(jié)構(gòu)；最后，進(jìn)行液冷系統(tǒng)流量分配設(shè)計，對各支路的阻抗進(jìn)行匹配，滿足各支路的流量分配要求。將流量、溫度及壓力降的耦合問題拆分，降低了設(shè)計難度和研制風(fēng)險，提高了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計效率，并使液冷系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。

圖1 液冷流量分配設(shè)計流程

3 液冷流量分配設(shè)計

3.1 總體方案設(shè)計

3.1.1 流量分配方式

流量分配方式有串聯(lián)管路、并聯(lián)管路和管網(wǎng)，管網(wǎng)分為支狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)。

串聯(lián)管路各段流量相等，總損失為各段管路流動損失的疊加，管路的總阻抗為各段管路阻抗之和。

并聯(lián)管路的總流量等于相并聯(lián)各支管流量之和，相并聯(lián)各支管能量損失相等，管路的總阻抗平方根倒數(shù)等于各并聯(lián)支管阻抗的平方根倒數(shù)之和。

支狀管網(wǎng)的特點是各管線只有分支點沒有匯合點，環(huán)狀管網(wǎng)的特點是管段在某一共同節(jié)點分支，然后又在另一個共同的節(jié)點匯合。

并聯(lián)管路結(jié)構(gòu)簡單，各支路相對獨立，壓力損失為3種方式中最低，液冷系統(tǒng)在低壓運行有利于安全，37 L/min的冷卻液流量吸收9 600 W熱量后的溫升約為4.5 ℃，本文采用并聯(lián)管路的分配形式。

根據(jù)各支路熱負(fù)荷對冷卻液流量進(jìn)行同比例分配，可確保各支路產(chǎn)生的溫升一致，有利于控制各模塊的溫度一致性。并聯(lián)結(jié)構(gòu)各支路的流量取決于該支路的阻抗，阻抗越大的支路，流量越??；阻抗越小的支路，流量越大。通過在各支路入口設(shè)置限流環(huán)匹配支路阻抗可以達(dá)到按需分配流量的目的。

3.1.2 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)模塊的尺寸和安裝要求，設(shè)計機(jī)載干擾分系統(tǒng)布局如圖2所示。冷板尺寸為470 mm×450 mm×20 mm(寬×長×高)，安裝在機(jī)柜的L型導(dǎo)軌上。冷板上安裝T型和L型結(jié)構(gòu)件，功放模塊通過楔形鎖緊機(jī)構(gòu)壓緊在冷板上，如圖3所示。冷板1和冷板2正反面各安裝2個功放模塊，冷板3僅在正面安裝2個功放模塊。冷板4和冷板5在電源分機(jī)內(nèi)部，每塊冷板正反面各安裝2個電源模塊，水分(合)路器通過分支管路與冷板1～冷板5相連，載機(jī)供(回)液接口與載機(jī)冷卻液相連。

圖2 干擾分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

圖3 功放模塊與冷板1裝配

3.2 冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計

冷板作為功放模塊和電源模塊的安裝基座，是一種單流體換熱器。電子設(shè)備的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞至冷板，冷板內(nèi)有液體流道，流動的液體將熱量帶走，完成一次熱交換。冷板采用鋁合金6061材料，經(jīng)真空釬焊后進(jìn)行熱處理達(dá)到T6狀態(tài)。為了進(jìn)一步提高散熱性能，采取以下措施：

① 功放模塊與冷板的接觸面涂SZ-6014導(dǎo)熱脂(熱導(dǎo)率4 W/m·K)，以減少接觸熱阻；

② 保證功放腔體散熱面的平面度和粗糙度，平面度在100 mm×100 mm內(nèi)為0.1，在整個冷板平面不超過0.3，粗糙度為0.16；

③ 采用楔形鎖緊裝置將功放模塊固定到冷板上，與兩邊采用螺釘固定相比改善了功放模塊的受力狀況，可提高接觸面壓力降低接觸熱阻；

④ 熱源下方流道中采用溢流槽微通道結(jié)構(gòu)翅片[16]，加大換熱面積，提高局部紊流強(qiáng)度，增大了局部換熱性能。

液冷系統(tǒng)中，冷板1的熱負(fù)荷和熱流密度最大，為了保證10個功放模塊的溫度一致性，以單個功放模塊為最小散熱單元，冷板1內(nèi)部設(shè)計為相互獨立雙層蛇形流道結(jié)構(gòu)，每層流道內(nèi)部為并聯(lián)的2個流程，即冷板上的4個功放模塊對應(yīng)1個獨立的流程。采用熱仿真軟件6GigmaET對冷板3進(jìn)行仿真，在11.6 L/min流量下，功率管殼溫為90.5 ℃，16個功率管之間最大溫差為3 ℃，滿足指標(biāo)要求。冷板1剖面溫度云圖如圖4所示。

圖4 冷板1剖面溫度云圖

3.3 流量分配設(shè)計

冷板1～冷板2采用相互獨立的雙層流道，冷板3～冷板5采用相同結(jié)構(gòu)的單層流道，即內(nèi)部過流斷面的面積為冷板1～冷板2的1/2。

3.3.1 系統(tǒng)阻抗匹配設(shè)計

系統(tǒng)阻抗匹配通過調(diào)整水分路器出口結(jié)構(gòu)尺寸實現(xiàn)。分路器的原始出口1～出口2通徑為12 mm，出口3～出口5通徑為8 mm，與對應(yīng)冷板內(nèi)部通徑相等。定義流通面積比Δ為實際流通面積與水分路器出口面積之比，采用6SigmaET對液冷系統(tǒng)進(jìn)行流體仿真，設(shè)置分路器出口1～出口5的Δ為變量，以各支路分配流量±0.2為目標(biāo)值進(jìn)行仿真迭代。

仿真結(jié)果如表1所示。各出口流量及流速如圖5所示，基本滿足要求。

表1 流量分配仿真結(jié)果

Tab.1 Flow distribution simulation results

支路流通面積比/%目標(biāo)流量/L·min-1仿真結(jié)果/L·min-118711.611.528411.611.63845.85.64604.04.25554.04.1

圖5 系統(tǒng)流體速度跡線

3.3.2 系統(tǒng)壓力損失校核

由于冷板1～冷板5采用了并聯(lián)的連接方式，并聯(lián)系統(tǒng)總阻抗的平方根倒數(shù)等于各支路阻抗平方根倒數(shù)之和，經(jīng)仿真計算系統(tǒng)壓力損失約為0.25 MPa。

4 測試驗證

流量分配系統(tǒng)樣機(jī)如圖6所示。使用安捷倫溫度巡檢儀對各模塊芯片殼溫進(jìn)行了測試，功放模塊最高溫度為88.3 ℃，電源模塊最高溫度為77.5 ℃，功放模塊殼溫差最高為4.3 ℃，如表2所示。使用億威仕流阻測試臺連接載機(jī)供回液口，在冷卻液溫度50 ℃，流量為37 L/min的條件下，系統(tǒng)壓力損失為0.26 MPa，各項指標(biāo)滿足要求。

圖6 流量分配系統(tǒng)樣機(jī)

表2 溫度測試結(jié)果

Tab.2 Temperature test results

支路設(shè)計要求/℃最高溫度/℃最低溫度/℃溫差/℃1≤9588.384.04.32≤9587.585.12.43≤9586.184.12.04≤9077.572.45.15≤9076.473.33.1

5 結(jié)束語

本文將液冷系統(tǒng)流量進(jìn)行分配設(shè)計，通過在各支路入口設(shè)置限流環(huán)匹配支路阻抗以達(dá)到按需分配流量的目的；同時，對各支路的阻抗進(jìn)行匹配，對流量、溫度及壓力降的耦合問題拆分，降低了設(shè)計難度和研制風(fēng)險，提高了復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計效率，并使液冷系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。本文提出的設(shè)計思路和方法能夠提高工作效率，降低后期試驗的工作量，對同類產(chǎn)品具有一定的借鑒性。機(jī)載液冷流量分配系統(tǒng)已經(jīng)過定型并進(jìn)行批量生產(chǎn)，下一步將在流量自適應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)計方面開展研究工作。