基于兩相流均熱板的數(shù)字子陣散熱及優(yōu)化

郁圣杰， 李 謙， 張德俊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所， 江蘇南京 211153)

0 引言

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)需求，有源相控陣?yán)走_(dá)需要構(gòu)建為開放式的陣面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)、可擴(kuò)展功能，根據(jù)作戰(zhàn)需求調(diào)整陣面規(guī)模和陣面功能，滿足現(xiàn)代雷達(dá)性能提升要求。滿足更高靈活性、開放性的自適應(yīng)陣列新一代有源相控陣?yán)走_(dá)，使整個(gè)陣面設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的單一功能模塊組合，發(fā)展為高集成、多功能、綜合一體化的“多級(jí)模塊化”的多功能陣面，向適應(yīng)大批量制造和低成本方向發(fā)展，“多級(jí)模塊化”的設(shè)計(jì)思想帶來了新一代有源相控陣天線的技術(shù)變革。

新一代有源相控陣?yán)走_(dá)采用“多級(jí)模塊化”設(shè)計(jì)思想，將信號(hào)接收、處理、傳輸?shù)裙δ芗K化設(shè)計(jì)為數(shù)字子陣(以下簡(jiǎn)稱子陣)形式，根據(jù)需求改變子陣數(shù)量對(duì)有源面陣進(jìn)行重構(gòu)。本文針對(duì)有源面陣中的子陣散熱進(jìn)行了研究和優(yōu)化。

1 物理模型及散熱方案

子陣作為面陣基本組成單元，裝配時(shí)通過骨架與天線陣面進(jìn)行插合，插合到位與面陣骨架固定。面陣的冷卻示意圖如圖1所示，面陣上下安裝風(fēng)機(jī)將冷卻風(fēng)引導(dǎo)至被散熱子陣，通過子陣自身的散熱翅片進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流換熱，交換后的熱量通過兩側(cè)的出風(fēng)口帶走。

圖1 面陣?yán)鋮s示意圖

子陣外形尺寸為107 mm×110 mm×140 mm(寬×高×深)，由轉(zhuǎn)接板、收發(fā)組件、射頻模塊、電源板、數(shù)字板等組成，各模塊依次垂直疊裝、盲插互聯(lián)，整個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊，物理模型如圖2所示。

圖2 子陣物理模型

子陣各組成部分熱源較多，收發(fā)組件和射頻模塊熱量分布于安裝面，電源板和數(shù)字板的熱量集中于分散的元器件，具體熱源分布見表1。

表1 子陣熱源分布

對(duì)子陣熱源的大小和分布進(jìn)行綜合分析，常規(guī)的液冷和風(fēng)冷冷卻方式無法直接帶走熱量，為保證子陣可靠工作，擬采用相變冷卻技術(shù)，即兩相流均熱板進(jìn)行散熱。熱傳遞路線為：收發(fā)組件和射頻模塊熱源緊貼均熱板，電源板和數(shù)字板上發(fā)熱器件通過導(dǎo)熱傳遞至均熱板，均熱板內(nèi)相變工質(zhì)受熱蒸發(fā)將熱量傳遞至冷凝端，到達(dá)冷凝端熱量采用強(qiáng)迫對(duì)流方式帶走后，工質(zhì)變?yōu)橐簯B(tài)返回蒸發(fā)端重復(fù)下一個(gè)循環(huán)。

2 兩相流均熱板冷卻機(jī)理

兩相流均熱板是利用液體在低溫下的蒸發(fā)過程向被冷卻物體吸收熱量實(shí)現(xiàn)冷卻，它是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，并利用毛細(xì)作用等流體原理，起到制冷效果，具有很高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的均溫性、熱流密度可變性、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，冷卻機(jī)理如圖3所示。

圖3 兩相流均熱板冷卻機(jī)理

均熱板主要由5部分組成，具體如下：

1) 外殼及腔體 考慮到傳熱效率，外殼一般選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料，同時(shí)綜合考慮成本、制造工藝、強(qiáng)度、密度等方面，大部分均熱板外殼材料選用純銅或者6063鋁合金。冷板內(nèi)部為近似真空的腔體，保證工質(zhì)可以在低溫條件下發(fā)生高強(qiáng)度的相變。

2) 充液管 充液管主要作用是作為工質(zhì)注入的管道入口以及內(nèi)部抽真空的空氣出口。其材料通常與外殼相同，便于將其焊接到殼體上。

3) 毛細(xì)吸液芯 吸液芯作用是為工質(zhì)提供流動(dòng)通道，促進(jìn)液體回流，保證均熱板正常工作。吸液芯材料一般與外殼相同，但其幾何形態(tài)各異，常見的為各種多孔介質(zhì)(銅粉燒結(jié)吸液芯、絲網(wǎng)燒結(jié)吸液芯、泡沫銅吸液芯)和微溝槽等。

4) 支撐柱 支撐柱的作用是為均熱板殼體提供支撐，防止因熱應(yīng)力或負(fù)壓造成變形和泄漏，其材料與外殼材料相同。

5) 相變傳熱工質(zhì) 常見的工質(zhì)有去離子水、丙酮、乙醇等。

3 熱傳遞分析、計(jì)算與測(cè)試

3.1 熱傳遞分析

通常，任何物理量的傳輸都需要傳輸?shù)膭?dòng)力，同時(shí)傳輸過程中也存在著阻力，這些物理量的傳輸都滿足下面的關(guān)系式：

熱量傳遞中同樣也需要驅(qū)動(dòng)力(即兩端的溫度差)，同時(shí)也存在阻力。傳遞的阻力主要有3類：

綜合分析子陣的物理模型，收發(fā)組件通過導(dǎo)熱將熱量傳遞至兩相流均熱板，電源板和數(shù)字板通過導(dǎo)熱將熱量傳遞至射頻模塊后再隨射頻模塊一起導(dǎo)熱至均熱板，最后傳遞至均熱板的熱量由對(duì)流換熱形式傳遞至環(huán)境，具體熱傳遞示意圖如圖4所示?？紤]子陣熱量最終由強(qiáng)迫風(fēng)冷帶走，故熱阻分析時(shí)忽略輻射換熱熱阻，主要分析導(dǎo)熱熱阻和對(duì)流換熱熱阻，根據(jù)熱量傳遞圖繪制出子陣散熱過程的熱阻圖如圖5所示。

圖4 子陣熱傳遞示意圖

圖5 子陣散熱過程熱阻分析圖

可知，影響子陣散熱是否可靠的瓶頸是熱阻，設(shè)計(jì)過程應(yīng)盡量減少熱量傳遞過程中的熱阻，提高熱傳遞通道的通暢。具體采取的措施：分析各模塊的熱源發(fā)熱量和尺寸，選擇鋁合金6063作為模塊安裝載體，接觸面增加導(dǎo)熱襯墊、涂抹導(dǎo)熱硅脂、安裝石墨烯材料等措施減小導(dǎo)熱過程熱阻；均熱板冷凝段設(shè)計(jì)散熱翅片增大對(duì)流換熱面積，并通過風(fēng)機(jī)吹風(fēng)提高對(duì)流換熱系數(shù)減少對(duì)流換熱熱阻等。

3.2 熱計(jì)算與仿真

根據(jù)熱平衡方程：

(1)

式中：是子陣散熱所需空氣風(fēng)量；是子陣總熱耗，為144 W；是空氣密度，為1093 kg/m；是空氣比熱，為1005 kJ/kg·K；Δ是空氣進(jìn)、出口溫差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取Δ=8 ℃。風(fēng)量裕量系數(shù)選擇12，計(jì)算所需風(fēng)量約為45 CFM。

運(yùn)用熱仿真軟件分別對(duì)環(huán)境溫度30 ℃和50 ℃情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別如圖6和圖7所示。由此可知，環(huán)境溫度30 ℃下，均熱板接觸面上的最高溫度為75 ℃，考慮到接觸熱阻，收發(fā)組件安裝面溫度77 ℃,收發(fā)組件發(fā)熱器件溫度一致性在5 ℃以內(nèi)，最高溫度位于電源板器件，為86.1 ℃；環(huán)境溫度50 ℃下，均熱板接觸面上的最高溫度為95 ℃，考慮到接觸熱阻，收發(fā)組件安裝面溫度為97 ℃,收發(fā)組件發(fā)熱器件溫度一致性在5 ℃以內(nèi)，最高溫度位于電源板器件，為106.1 ℃。

圖6 子陣環(huán)境30 ℃溫度分布圖

圖7 子陣環(huán)境50 ℃溫度分布圖

3.3 熱測(cè)試與驗(yàn)證

為驗(yàn)證子陣散熱性能，樣機(jī)裝配測(cè)試完成后，在30 ℃和50 ℃環(huán)境下對(duì)子陣進(jìn)行了熱測(cè)試。試驗(yàn)過程中，將子陣放置于密閉空間，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行控制，關(guān)注部位布置溫度傳感器，通過溫度測(cè)試儀器監(jiān)測(cè)環(huán)境及子陣工作時(shí)的溫度，試驗(yàn)臺(tái)布置如圖8所示，紅外熱像儀記錄子陣試驗(yàn)過程中溫度分布梯度如圖9所示，不同環(huán)境溫度下測(cè)試結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖8 子陣熱測(cè)試與驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)

圖9 子陣溫度分布梯度

圖10 環(huán)境30 ℃下子陣監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間變化

圖11 環(huán)境50 ℃下子陣監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間變化

圖10為子陣在環(huán)境溫度30 ℃下，子陣發(fā)射全開狀態(tài)下滿功率工作溫度分布和關(guān)鍵點(diǎn)監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間變化圖，可知監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度分布云圖與仿真結(jié)果基本一致。收發(fā)組件及射頻模塊由于緊貼均熱板，熱阻小，溫度較低；電源板器件的熱量通過射頻模塊金屬結(jié)構(gòu)件二次傳遞，導(dǎo)致熱阻較大，溫度較高，最高處高達(dá)75 ℃。

當(dāng)環(huán)境溫度提高至50 ℃后，子陣在接收狀態(tài)下工作正常，發(fā)射全開狀態(tài)下滿功率工作時(shí)開機(jī)10 min左右子陣突然停止工作，自動(dòng)斷電。經(jīng)分析，子陣停止工作是由于電源板個(gè)別器件溫度過高引起，器件局部熱量過大，熱傳遞過程熱阻過大，不能及時(shí)散熱。為減小電源板器件散熱通道間熱阻，增加散熱冷板，將電源板及數(shù)字板熱量直接通過冷板傳遞至均熱板，然后繼續(xù)開展試驗(yàn)，試驗(yàn)順利通過，圖11為環(huán)境溫度下子陣監(jiān)測(cè)溫度隨時(shí)間變化情況，電源板器件最高處高達(dá)95 ℃，但存在小范圍波動(dòng)，冷板仍需改進(jìn)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過測(cè)試可知收發(fā)組件、射頻模塊和數(shù)字板在常溫和高溫工作下散熱良好，子陣散熱需要解決的是電源板，電源板上的發(fā)熱器件較為分散，重點(diǎn)對(duì)電源板散熱進(jìn)行優(yōu)化。具體進(jìn)行如下優(yōu)化：1)優(yōu)化電源板與數(shù)字板之間熱量傳遞線路，二者之間增加T型冷板(冷板采用均熱板)降低傳遞熱阻，提高散熱能力，優(yōu)化后子陣熱量傳遞過程熱阻示意圖如圖12所示，新增T型冷板如圖13所示； 2)改變散熱翅片方向，由子陣后部改為子陣頂部，提高適裝性，簡(jiǎn)化面陣風(fēng)道布局；3)子陣進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，深由140 mm縮減為87 mm，使子陣輕薄化。子陣優(yōu)化后物理模型如圖14所示。

圖12 優(yōu)化后子陣熱量傳遞過程熱阻示意圖

圖13 T型冷板示意圖

圖14 子陣優(yōu)化后物理模型

對(duì)優(yōu)化的子陣進(jìn)行熱仿真，結(jié)果如圖15和圖16所示，優(yōu)化后子陣各安裝面的溫度分布比較均勻，環(huán)境溫度30 ℃下，均熱板接觸面上的最高溫度為70 ℃；環(huán)境溫度50 ℃下，相均熱板接觸面上的最高溫度為85.2 ℃，與優(yōu)化之前相比較降低了10 ℃左右，滿足了子陣的散熱需求。

圖15 子陣優(yōu)化后環(huán)境30 ℃溫度分布圖

圖16 子陣優(yōu)化后環(huán)境50 ℃溫度分布圖

5 結(jié)束語

優(yōu)化后的數(shù)字子陣采取小型化多功能方式完成了高集成度立體數(shù)字子陣的研制，驗(yàn)證了大功率電源背板分區(qū)設(shè)計(jì)、多層多通道微波信號(hào)垂直互聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)，并通過優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了數(shù)字子陣輕薄化和子陣立體高效散熱，滿足了新一代有源面陣的需求。