某高功率收發(fā)模塊兩相冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究*

張先鋒，王恒遠(yuǎn)，王虎軍，謝 標(biāo)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

引 言

隨著微電子及信息技術(shù)的發(fā)展，收發(fā)功能模塊作為雷達(dá)等軍用電子裝備的核心部件，正向著數(shù)字化、集成化和輕量化方向發(fā)展[1-2]，特別是機(jī)載、球載等空基平臺(tái)電子載荷的重量、體積以及功耗等受到限制，集成度要求更高，對(duì)長(zhǎng)航時(shí)飛行器電子載荷的任務(wù)可靠性也提出了苛刻要求。由于收發(fā)組件向著集成化方向發(fā)展，局部區(qū)域的熱流密度不斷增大，因此系統(tǒng)和組件的熱設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-4]。

汽液兩相冷卻是一種高效的冷卻方式，是解決高熱流密度冷卻問題的有效途徑之一。它通過液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)區(qū)域發(fā)生相變吸收電子設(shè)備等產(chǎn)生的熱量，由相應(yīng)的循環(huán)回路將工質(zhì)輸送到冷凝區(qū)域，實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的熱交換，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻的目的。其中，以重力為驅(qū)動(dòng)力的熱虹吸回路可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)區(qū)域和冷凝區(qū)域的分離，它依靠重力驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)無運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高等特點(diǎn)，在工業(yè)節(jié)能、余熱利用、新能源開發(fā)、電子設(shè)備冷卻等領(lǐng)域得到應(yīng)用[5-6]。

本文針對(duì)空基平臺(tái)某高熱耗8 通道收發(fā)模塊的冷卻問題，進(jìn)行了基于熱虹吸回路的兩相冷卻系統(tǒng)樣機(jī)研制和性能評(píng)估，詳細(xì)分析了冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)特性和工作性能，開展了工作傾角、冷凝能力等對(duì)系統(tǒng)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究。

1 兩相冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及原理

該冷卻系統(tǒng)為閉式熱虹吸回路，由蒸發(fā)器、冷凝器、連接管路以及冷卻風(fēng)機(jī)組成。其工作原理和熱管相似，工作過程如下：液態(tài)工質(zhì)在蒸發(fā)器區(qū)域吸收電子設(shè)備熱量，發(fā)生汽液相變，變成氣態(tài)，在重力作用下，氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器，與環(huán)境進(jìn)行熱交換，變回液態(tài)，再回流到蒸發(fā)器，完成冷卻系統(tǒng)的循環(huán)。在此過程中實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備與外界環(huán)境的熱交換，完成對(duì)電子設(shè)備的冷卻。

本文設(shè)計(jì)的兩相冷卻系統(tǒng)用于空基平臺(tái)雷達(dá)設(shè)備中某8 通道收發(fā)模塊。該模塊的總熱耗為475 W，每個(gè)收發(fā)通道中功放器件的熱耗為40 W，局部熱流密度達(dá)到60 W/cm2，其余熱耗由收發(fā)通道其他器件及板級(jí)組件產(chǎn)生，熱流密度較小。要求功放器件殼溫的相對(duì)工作環(huán)境溫升不超過35?C，在正常工作狀態(tài)下，收發(fā)模塊垂直放置，允許有±20?的擺動(dòng)。

本文研制的基于兩相冷卻系統(tǒng)的收發(fā)模塊如圖1所示。該收發(fā)模塊結(jié)構(gòu)為三明治夾芯結(jié)構(gòu)，即兩相冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器位于中心，在蒸發(fā)器兩側(cè)分別設(shè)有器件安裝板，由功放器件等組成的收發(fā)組件以及各類板級(jí)組件分別安裝在兩側(cè)器件安裝板上。收發(fā)組件和板級(jí)組件中的各類電子器件在工作過程中產(chǎn)生的熱量，通過器件安裝板傳遞給兩相冷卻系統(tǒng)蒸發(fā)器，再通過兩相冷卻系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)，將熱量傳遞到環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)收發(fā)模塊各類電子器件和組件的冷卻。

圖1 收發(fā)模塊組成圖

該冷卻系統(tǒng)的工作姿態(tài)如圖2 所示。在正常工作條件下，收發(fā)模塊成豎直狀態(tài)，即蒸發(fā)器冷卻面與地平面成90?角。由于該模塊安裝在空基運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，因此在工作過程中呈傾斜工作狀態(tài)，其工作傾角為θ，文中向右傾斜為正，相反方向?yàn)樨?fù)。

圖2 收發(fā)模塊工作姿態(tài)

1.2 兩相冷卻回路設(shè)計(jì)

該兩相冷卻系統(tǒng)構(gòu)型如圖1 所示，包括蒸發(fā)器、冷凝器、汽相管路和液相管路。在設(shè)計(jì)過程中，兼顧了系統(tǒng)重量要求、傳熱性能以及制造工藝等因素，各部件均采用鋁合金，系統(tǒng)工作介質(zhì)為R134a。

該冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器即為收發(fā)模塊的冷板，為平板式結(jié)構(gòu)，外形尺寸為620 mm×110 mm×9 mm（長(zhǎng)×寬×高）。針對(duì)收發(fā)模塊的散熱需求，在蒸發(fā)器8 個(gè)功放器件所在收發(fā)通道底部對(duì)應(yīng)的冷板中各設(shè)置1 個(gè)冷卻通道。為了解決功放器件等高熱流密度器件的散熱，每個(gè)冷卻通道設(shè)置微小槽道強(qiáng)化換熱，提升散熱效率。針對(duì)各冷卻通道間的連接通路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)連接通路的構(gòu)型和流動(dòng)阻力進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)冷卻通道并聯(lián)連接和冷卻介質(zhì)在8 個(gè)冷卻通道間的合理分配，以保證收發(fā)模塊內(nèi)各收發(fā)組件間的溫度一致性。

為了提升系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)采用了雙冷凝器設(shè)計(jì)。該冷凝器為平行流微通道換熱器，具有重量輕、流阻小、換熱效率高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。每個(gè)冷凝器的尺寸為160 mm×110 mm×30 mm（長(zhǎng)× 寬× 高）。其中微通道扁管截面尺寸為25.4 mm×2 mm，翅片為開窗翅片，厚0.1 mm，波距為2.4 mm。

連接蒸發(fā)器和冷凝器的汽相管路和液相管路的外徑為7.94 mm，壁厚1.0 mm，通過焊接方式與系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器相連。冷卻系統(tǒng)具備3 MPa 以上的承壓能力。

1.3 樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)如圖3 所示，采用模擬熱源代替電子器件及組件，來評(píng)估該收發(fā)模塊的冷卻性能。熱流密度較大的8 個(gè)40 W 的功放器件采用集中式熱源（即加熱塊）來模擬，而其他熱流密度較小的器件和板級(jí)組件采用均布熱源（即薄膜加熱片）來模擬。為了準(zhǔn)確評(píng)估收發(fā)模塊的冷卻性能，模擬熱源的安裝板材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，從模擬熱源到蒸發(fā)器的傳熱路徑和熱界面狀態(tài)也完全一致。

圖3 樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)示意圖

該冷卻系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注了熱流密度較高的8 個(gè)功放器件的溫度，在每個(gè)功放器件模擬加熱塊安裝面布置了熱電偶，監(jiān)測(cè)其溫度變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)特性及工作性能

圖4 為在正常工作姿態(tài)下兩相冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)和工作特性，環(huán)境溫度約為18?C。模塊開始工作后，各通道的溫度快速上升。但在工作約100 s 后，通道4 的溫度突然下降后又快速上升。這是由于該收發(fā)通道所在的蒸發(fā)器冷卻通道內(nèi)發(fā)生了熱管的啟動(dòng)現(xiàn)象，即冷板內(nèi)該冷卻通道冷卻介質(zhì)發(fā)生汽液相變后流向冷凝器，兩相冷卻系統(tǒng)開始循環(huán)工作。在隨后的300 s內(nèi)，其他通道也相繼出現(xiàn)了類似的啟動(dòng)現(xiàn)象。收發(fā)模塊在工作1 000 s 后，冷卻系統(tǒng)基本平衡，各通道的溫升速率變緩。冷卻系統(tǒng)達(dá)到平衡后，通道4 的溫度最低，約為42.1?C，而通道3 的溫度最高，約為45.6?C。

圖4 樣機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)及工作特性

在正常工作狀態(tài)下各個(gè)功放器件相對(duì)環(huán)境的溫升以及通道間最大溫差如圖5 所示。由圖5 可知，在冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，通道3 的溫升最大，為27.5?C，滿足功放器件溫升小于35?C 的要求，此時(shí)收發(fā)模塊內(nèi)功放器件的平均溫升為26.1?C。

圖5 通道溫升及通道間溫差變化

在系統(tǒng)工作過程中，模塊內(nèi)通道間最大溫差也隨之改變。在收發(fā)模塊開始工作時(shí)，隨著各收發(fā)通道電子器件的溫度升高，通道間溫差不斷增大，在啟動(dòng)后約150 s 時(shí)，溫差達(dá)到最大，約為5.4?C。此后，隨著冷卻系統(tǒng)各個(gè)冷卻通道正常啟動(dòng)，通道間溫差也隨之降低，當(dāng)冷卻系統(tǒng)正常工作后，該溫差也趨于穩(wěn)定，約為3.5?C，模塊內(nèi)通道間溫度一致性較好。

2.2 工作傾角影響

該兩相冷卻系統(tǒng)為重力驅(qū)動(dòng)，在工作過程中模塊的擺放姿態(tài)將對(duì)冷卻系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定的影響。由于該模塊應(yīng)用于空基平臺(tái)，在工作過程工作姿態(tài)會(huì)不斷變化，因此為保證收發(fā)模塊工作的可靠性，需對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)估和分析。圖6 為不同工作傾角下各個(gè)收發(fā)通道功放器件的溫升情況。

圖6 不同傾角下冷卻功放器件溫升

由圖6 可知，該冷卻系統(tǒng)在傾角為?20?～+60?時(shí)工作性能相對(duì)比較穩(wěn)定，各個(gè)通道溫度變化較小，在2?C 以內(nèi)。其中，工作傾角為20?時(shí)各個(gè)通道的溫升最小，冷卻系統(tǒng)的工作性能最優(yōu)。這是由于在該冷卻系統(tǒng)中，兩翼的冷凝器在水平方向相對(duì)蒸發(fā)器為非對(duì)稱布置，當(dāng)模塊出現(xiàn)向右傾斜即工作傾角稍稍增大時(shí)，冷凝器內(nèi)汽液交界面和冷凝器的出液口相對(duì)高度會(huì)有所增加，這有利于冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行，因而工作溫度會(huì)下降。工作傾角繼續(xù)增大，液態(tài)工質(zhì)在系統(tǒng)中的分布會(huì)發(fā)生較大變化，相應(yīng)的重力驅(qū)動(dòng)作用會(huì)減弱，導(dǎo)致系統(tǒng)工作性能惡化。由圖6 可知，該冷卻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下，傾角在?30?～75?之間，各個(gè)通道的溫升均小于35?C，均能滿足使用要求。

表1 給出了不同工作傾角下收發(fā)模塊通道間的最大溫差（?T）。從表1 可知，模塊的工作姿態(tài)對(duì)通道間的溫差影響不大，只有當(dāng)傾角為?60?時(shí)，通道間溫差發(fā)生較大變化，約為4.9?C，其他工作狀態(tài)下通道間溫差變化均在1?C 以內(nèi)。

表1 不同傾角下收發(fā)模塊通道間溫差

2.3 冷凝能力影響

冷凝過程作為該冷卻系統(tǒng)工作的關(guān)鍵過程，對(duì)工作性能有較大影響。本文通過改變冷凝器的風(fēng)速以及風(fēng)機(jī)數(shù)量，調(diào)整系統(tǒng)的冷凝能力，研究不同冷凝能力下冷卻系統(tǒng)的工作性能。

圖7 給出了在收發(fā)模塊的工作傾角為0°時(shí)不同冷凝能力下各個(gè)通道的平均溫升和通道間最大溫差，展示了冷凝器出口風(fēng)速（即冷凝風(fēng)速）分別為3 m/s，6.5 m/s，9 m/s 以及11.5 m/s 時(shí)的工作性能。同時(shí)為了驗(yàn)證該冷卻系統(tǒng)的可靠性，考慮了在單個(gè)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障即單風(fēng)機(jī)工作時(shí)兩相冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。文中對(duì)冷凝風(fēng)速未做說明時(shí)，均為3 m/s。

圖7 不同冷凝能力下各通道的平均溫升及溫差

由圖7 可知，隨著冷凝風(fēng)速的增大，兩相冷卻系統(tǒng)的散熱性能不斷增強(qiáng)，在雙風(fēng)機(jī)均正常工作時(shí)，冷凝風(fēng)速由3 m/s 增大到11.5 m/s，收發(fā)模塊的通道平均溫升由26.1?C 降至15.1?C；在單個(gè)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障即單風(fēng)機(jī)工作時(shí)，冷凝風(fēng)速由3 m/s 增大到11.5 m/s，通道平均溫升由39.7?C 降至22?C。對(duì)比雙風(fēng)機(jī)冷凝風(fēng)速為3 m/s 和單風(fēng)機(jī)風(fēng)速為6.5 m/s 時(shí)的通道平均溫升發(fā)現(xiàn)：在冷凝風(fēng)量相當(dāng)時(shí)，雙風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)冷卻系統(tǒng)的性能更優(yōu)。另外，模塊通道間最大溫差受冷凝風(fēng)速和風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)的影響不大，均在4?C 以下。在相同冷凝風(fēng)速下，雙風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，通道間溫度一致性更優(yōu)，相對(duì)于單個(gè)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，通道間最大溫差約減小0.5?C。

表2 為雙風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)不同冷凝風(fēng)速下兩相冷卻系統(tǒng)所需的功耗。從表2 可知，隨著冷凝風(fēng)速的提高，冷卻系統(tǒng)的功耗急劇上升，冷凝風(fēng)速由3 m/s增大到11.5 m/s 時(shí)，系統(tǒng)所需功耗由5.6 W 增大到69.6 W。

表2 不同冷凝風(fēng)速下冷卻系統(tǒng)功耗

綜合考慮收發(fā)模塊的冷卻需求、平臺(tái)功耗限制以及可靠性等因素，冷凝風(fēng)速選定為6.5 m/s。此時(shí)收發(fā)模塊在雙風(fēng)機(jī)正常工作以及單風(fēng)機(jī)工作2 種狀態(tài)下，各通道的溫升均能滿足小于35?C 的要求，而系統(tǒng)功耗僅為15.2 W，收發(fā)模塊的熱設(shè)計(jì)有足夠的冗余，冷卻系統(tǒng)綜合性能最優(yōu)。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)某8 通道收發(fā)模塊的冷卻問題，設(shè)計(jì)了一套基于熱虹吸回路的兩相冷卻系統(tǒng)樣機(jī)，并開展了樣機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)特性、工作傾角以及冷凝能力對(duì)系統(tǒng)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究，研究表明：

1）該冷卻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱耗475 W、局部熱流密度60 W/cm2模塊的高效冷卻，啟動(dòng)特性和工作性能良好；

2）在工作傾角約為20?時(shí)，該冷卻系統(tǒng)的性能最優(yōu)，能在?30?～75?的工作傾角范圍內(nèi)保證收發(fā)模塊正常工作；

3）隨著冷凝風(fēng)速的增大，系統(tǒng)的冷卻性能快速提升，所需功耗不斷增大，在冷凝風(fēng)速為6.5 m/s 時(shí)，冷卻系統(tǒng)的綜合性能最優(yōu)。