鎵基液態(tài)金屬Ga80In20在雷達(dá)冷板散熱中的數(shù)值模擬研究

李 驁，徐太棟

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)的快速發(fā)展對(duì)T/R組件的多通道集成、多功能集成及其小型化、高可靠等性能提出了更高的要求，T/R組件的熱流密度隨之急劇升高，散熱形式也從風(fēng)冷過(guò)渡到單相強(qiáng)迫液冷乃至相變冷卻，冷板散熱技術(shù)隨之成為研究熱點(diǎn)。

在提升組件單相強(qiáng)迫液冷散熱性能方面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者分別針對(duì)冷板熱傳導(dǎo)優(yōu)化、流道內(nèi)部二次表面對(duì)流換熱優(yōu)化、降低接觸熱阻等方面展開(kāi)研究[1]，例如采用均溫板作為冷板主體結(jié)構(gòu)，降低冷板的傳導(dǎo)熱阻[2]；在流道內(nèi)部采用縱向渦發(fā)生器或微通道翅片，通過(guò)破壞流體邊界層提高對(duì)流換熱系數(shù)、對(duì)流換熱面積的方式降低對(duì)流熱阻[3]；通過(guò)采用石墨烯、銦片等接觸材料降低熱源和冷板接觸熱阻[4]。此外，通過(guò)提高冷板內(nèi)部流體介質(zhì)的導(dǎo)熱率來(lái)降低對(duì)流熱阻的方式主要集中在納米功能流體方面[5]。

鎵基液態(tài)金屬是在常溫下呈現(xiàn)液態(tài)的以鎵為主的鎵銦錫鋅等元素的合金，該類合金導(dǎo)熱率遠(yuǎn)高于冷板內(nèi)使用的65號(hào)航空冷卻液。以本文所使用的Ga80In20為例，25 ℃時(shí)其導(dǎo)熱率為25.8 W/mK，是相同溫度下65號(hào)航空冷卻液導(dǎo)熱率的80倍以上。

1 設(shè)計(jì)與建模

針對(duì)T/R組件的典型特點(diǎn)和要求，設(shè)T/R組件的三維模型如圖1所示。

圖1 組件結(jié)構(gòu)外觀

組件包括冷板、載板、熱源陣列等，在冷板正反面對(duì)稱分布著載板與熱源陣列。熱源的熱量以傳導(dǎo)的方式通過(guò)載板與鋁合金冷板主體到達(dá)冷板內(nèi)部水道壁面，由流經(jīng)冷板內(nèi)部的冷卻介質(zhì)耗散至環(huán)境熱沉。由于鎵基液態(tài)金屬對(duì)鋁合金具有明顯的溶解、腐蝕作用[6]，因此水道內(nèi)壁必須進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理[7]；驅(qū)動(dòng)鎵基液態(tài)金屬一般采用無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的電磁泵，但驅(qū)動(dòng)壓力一般為10 kPa級(jí)。當(dāng)冷卻系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力不小于0.4 MPa時(shí)，可采用不銹鋼齒輪泵。

圖2為冷板內(nèi)部光滑水道，冷卻介質(zhì)由冷板一端的入口流入，入口溫度為25 ℃，流量為0.5 L/min。本文所對(duì)比的兩種冷卻介質(zhì)分別為Ga80In20與65號(hào)航空冷卻液，其物性參數(shù)[8]對(duì)比如表1所示。

表1 Ga80In20與65號(hào)航空冷卻液物性參數(shù)

圖2 冷板內(nèi)部光滑水道截面

由下式可知，雖然鎵基液態(tài)金屬的比熱容小于65號(hào)航空冷卻液，但是其密度是65號(hào)航空冷卻液的8倍，因此對(duì)于相同總熱量的T/R組件，在設(shè)計(jì)工質(zhì)進(jìn)出口溫差相同的情況下，兩種工質(zhì)的體積流量相近：

Q=cmΔT

(1)

式中，Q為組件總散熱量；c為冷卻介質(zhì)比熱容；m為質(zhì)量流量；ΔT為冷板進(jìn)出口溫差，一般取4 ℃～5 ℃。

本文基于通用流體力學(xué)仿真平臺(tái)，采用流-固熱耦合場(chǎng)數(shù)值模擬方法計(jì)算T/R組件溫度場(chǎng)分布?？紤]到流道內(nèi)含分離、轉(zhuǎn)捩等復(fù)雜流態(tài)，渦粘模型選擇Transsition SST模型，且考慮到粘性底層與對(duì)數(shù)律層對(duì)邊界層流場(chǎng)的重要作用，近壁面流場(chǎng)的解析采用尺度化壁面函數(shù)法進(jìn)行處理。本文在計(jì)算時(shí)，兩種工質(zhì)取相同的體積流量，以熱源與冷板入口工質(zhì)溫度(25 ℃)之差、熱源間溫度均方差作為評(píng)價(jià)散熱性能標(biāo)準(zhǔn)。

2 工質(zhì)對(duì)光滑流道換熱能力的影響

首先通過(guò)數(shù)值模擬比較了65號(hào)航空冷卻液與鎵基液態(tài)金屬Ga80In20在如圖2所示光滑水道中的散熱性能。

本文選取了0.2～0.8 L/min體積流量條件進(jìn)行數(shù)值模擬，其中0.2 L/min鎵基液態(tài)金屬Ga80In20流量條件下的TR組件外表面溫度場(chǎng)云圖如圖3所示?？梢钥闯?，由于熱源面積小、熱量大，7.2 W熱源的溫度最高。

圖3 0.2 L/min Ga80In20流量下組件表面溫度

本文基于體積溫度平均方法，提取了0.2～0.8 L/min流量下兩種工質(zhì)冷卻后7.2 W熱源的平均溫度，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，相同體積流量下，在采用鎵基液態(tài)金屬Ga80In20代替65號(hào)航空冷卻液后，組件表面的7.2 W熱源的平均溫度大幅下降，隨著流量上升，兩者之間平均溫度差距有小幅縮小。在0.2 L/min流量條件下，7.2 W熱源平均溫度大幅下降了30.2 ℃，在0.8 L/min流量條件下7.2 W熱源平均溫度也下降了20.1 ℃。以工質(zhì)入口溫度25 ℃作為溫度起點(diǎn)，熱源平均溫度降幅在43.9%～47.6%之間。

圖4 光滑流道冷板上7.2 W熱源平均溫度對(duì)比

從平均溫度來(lái)看，相同流量下采用鎵基液態(tài)金屬相對(duì)常規(guī)冷卻介質(zhì)能夠大幅度降低熱源器件的溫度，并且在經(jīng)濟(jì)流量?jī)?nèi)這一優(yōu)勢(shì)能夠基本保持。

4 工質(zhì)對(duì)光滑流道熱源均溫性的影響

對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)TR組件，其半導(dǎo)體功率器件的均溫性是非常重要的散熱指標(biāo)，半導(dǎo)體器件均溫性下降會(huì)引起組件接收信號(hào)之間的相位差惡化，從而嚴(yán)重影響組件的電性能[9]。本文以每個(gè)組件上16個(gè)7.2 W熱源的溫度均方差作為研究工質(zhì)對(duì)均溫性影響的指標(biāo)。

截取流道內(nèi)速度場(chǎng)云圖與熱源溫度云圖進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯?.2 L/min流量下采用鎵基液態(tài)金屬代替65號(hào)航空冷卻液后，冷板中部、位于水道正上方的熱源溫度降幅最大，在冷板兩端位于水道轉(zhuǎn)彎處的降幅最小，如圖6所示。

圖5 0.2 L/min流量下速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)云圖對(duì)比

圖6 工質(zhì)變化導(dǎo)致的各個(gè)7.2 W熱源溫差

可以看出，編號(hào)1與編號(hào)16是靠近冷板出口、流道轉(zhuǎn)彎處的熱源，編號(hào)8與編號(hào)9是靠近冷板進(jìn)口、流道轉(zhuǎn)彎處的熱源，上述幾處熱源沒(méi)有位于水道正上方，所以工質(zhì)導(dǎo)熱率大幅度提升帶來(lái)的散熱收益并不如冷板中部位于水道正上方的熱源，這也導(dǎo)致了在采用高導(dǎo)熱率工質(zhì)后，熱源的平均溫度雖然大幅下降，但是熱源間的溫度均方差不一定下降，如表2所示。

表2 不同工質(zhì)不同流量下的熱源間均方差

可以看出，在采用鎵基液態(tài)金屬之后，本冷板熱源間的均方差被放大。組件功率器件之間的均溫性是由冷板結(jié)構(gòu)、器件布局、工質(zhì)熱物性、接觸熱阻等眾多因素共同決定的，單純提升工質(zhì)熱物性并不一定會(huì)為熱源均溫性帶來(lái)正收益。

5 Ga80In20在小通道冷板內(nèi)的散熱性能

在光滑流道內(nèi)添加一定數(shù)量的翅片，可以明顯提升冷板的對(duì)流換熱面積，增加流體擾動(dòng)、破壞流道壁面的邊界層熱阻，提升對(duì)流換熱系數(shù)。因此本文在流道內(nèi)部設(shè)計(jì)了間距為2 mm的翅片，在該尺度下，流體仍服從宏觀流體力學(xué)規(guī)律，流道結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 小通道冷板流道截面

通過(guò)后處理提取各個(gè)熱源的平均溫度，與光滑水道相比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 光滑流道與小通道熱源平均溫度對(duì)比

在采用Ga80In20作為冷卻介質(zhì)條件下，小通道冷板的熱源平均溫度比光滑流道冷板熱源平均溫度下降了2 ℃～3 ℃，降幅有限，這是因?yàn)楦邔?dǎo)熱率工質(zhì)已經(jīng)將對(duì)流熱阻降到了較低水平，再增加對(duì)流換熱面積對(duì)冷板整體熱阻的收益不顯著。所以，小通道冷板與Ga80In20結(jié)合使用，與采用65號(hào)航空冷卻液的光滑水道冷板相比，溫差降幅達(dá)49.1%～51.6%。熱源間均溫性如表3所示。

表3 兩種流道下的熱源間均方差

可以看出，在使用Ga80In20工質(zhì)、不改變流道整體外形的前提下引入小通道結(jié)構(gòu)對(duì)于熱源間均溫性的改善無(wú)明顯作用。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于數(shù)值仿真模擬方法，研究了鎵基液態(tài)金屬Ga80In20在冷板強(qiáng)迫冷卻中的散熱性能，得到以下結(jié)論：

(1)在光滑水道冷板內(nèi)與常規(guī)冷卻介質(zhì)相比，相同流量下Ga80In20能夠顯著降低冷板表面熱源的平均溫度，溫差降幅達(dá)43.9%～47.6%；

(2)Ga80In20的使用并一定能夠改善冷板表面熱源的均溫性，相反，在如本文所設(shè)計(jì)的冷板結(jié)構(gòu)下，會(huì)在一定程度上惡化熱源間的均溫性；

(3)含有翅片的小通道冷板與Ga80In20結(jié)合使用，可以進(jìn)一步降低冷板表面熱源的溫度，與采用65號(hào)航空冷卻液的光滑水道冷板相比，溫差降幅達(dá)49.1%～51.6%；

(4)在使用Ga80In20工質(zhì)、不改變流道整體外形的前提下引入小通道結(jié)構(gòu)對(duì)于熱源間均溫性的改善無(wú)明顯作用。