DAM兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統實驗研究

張根烜　王 璐　張先鋒　洪大良

(中國電子科技集團公司第三十八研究所　合肥　230088)

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DAM兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統實驗研究

張根烜王 璐張先鋒洪大良

(中國電子科技集團公司第三十八研究所合肥230088)

兩相熱虹吸回路由于較高的散熱性能在高功率電子設備冷卻領域有較好的應用前景。為了解決四通道數字陣列模塊的冷卻問題，本文設計了一套兩相閉式熱虹吸回路冷卻系統樣機并對系統啟動特性、充液量和工作傾角對系統散熱性能的影響進行了實驗研究。研究結果表明，樣機系統結構及散熱性能滿足指標要求，啟動性能和工作性能良好。此外，該系統對熱耗1600 W、局部熱流密度接近100 W/cm2的組件的冷卻效果良好。

熱虹吸回路；冷卻系統；電子設備；實驗研究；R134a

兩相閉式熱虹吸回路技術作為重力熱管技術的一種，一般在熱虹吸回路循環中不采用毛細芯結構，工質在蒸發段吸收熱源熱量由液態變為氣態后沿循環管路進入冷凝器，向二次冷源散熱后變為液態，在重力作用下回到蒸發段，完成整個冷卻循環。由于熱虹吸循環可實現蒸發段和冷凝器的分置，傳熱效率高、結構較為簡單，從而被認為在高效換熱器、余熱回收、電子設備冷卻以及太陽能集熱器等領域具有巨大的應用潛力[1-2]。因此，國內外學者針對兩相流熱虹吸回路技術從傳熱[3-4]、流動[5-6]、充液率[7]、工作傾角[8]、工質[9]和應用[10]等方面作了大量的理論和實驗研究。

在對熱虹吸技術進行充分研究的基礎上，越來越多的學者也在開展熱虹吸技術在電子設備冷卻領域的應用研究。Khrustalve D等[11]設計并測試了一個兩相閉式熱虹吸回路系統用于電子器件散熱的效果。研究結果顯示，當模擬發熱器件熱流密度為70 W/cm2左右時，相對于冷卻流體，其蒸發溫度的溫升大約為23 ℃。 Khodabandeh R等[12]設計并測試了一個用于熱耗為104 W的CPU散熱的兩相閉式虹吸回路系統。研究結果顯示，CPU的溫度相對蒸發溫度的溫升能控制在20 ℃左右。周峰等[13-14]、韋幫遠等[15]的研究則顯示，兩相閉式熱虹吸回路系統用于電子設備艙和通信基站也有較好的散熱效果。

雖然目前兩相閉式熱虹吸回路系統用于電子設備冷卻的研究已經非常多，但是用于軍用高功率組件冷卻上的應用研究的報道還非常少。數字陣列模塊(digital array module, DAM)是有源相控陣雷達陣面的主要功率模塊，隨著雷達威力和功能需求的日益提升和雷達功率元器件技術的快速發展，DAM的集成化、高功率和高熱耗的特征日益明顯，對高功率高效冷卻技術的需求也愈發迫切[16]。

本文針對某型高熱DAM的冷卻問題，進行了兩相閉式熱虹吸回路技術的應用設計和樣機性能測試，詳細分析了冷凝器設計參數和系統充液量等對系統性能的影響，并開展系統啟動特性分析等工作。

1　DAM冷卻系統樣機設計要求

針對某典型高熱耗、高熱流密度的四通道DAM的冷卻問題，為提高其冷卻系統布置的靈活性，基于兩相閉式熱虹吸回路技術設計形成一套可供DAM獨立使用的冷卻系統樣機，滿足DAM高可靠高效散熱，冷卻系統樣機的主要技術指標如下：

1) 工作環境溫度：-40～50 ℃；

2) 貯存溫度：-50～60 ℃；

3) DAM總熱耗≥1500 W，局部區域熱流密度≥80 W/cm2；

4) DAM功放模塊表面最高溫度≤80 ℃；

5) 蒸發器厚度不超過10 mm；

6) 冷凝器尺寸不超過600 mm(長)×300 mm(寬) ×60 mm(厚)；

7) 重量≤8 kg。

2　熱虹吸回路冷卻系統樣機設計

2.1 系統組成與原理

為兼顧DAM的實際冷卻性能測試以及DAM與冷卻系統集成設計的要求，熱虹吸回路冷卻系統樣機采用獨立的箱體結構，由樣機箱體(含蓋板、底板和風機)、DAM模擬件、熱虹吸回路冷卻系統組成，如圖1所示。其中熱虹吸回路系統安裝于機箱內部，由蒸發器、冷凝器以及連接管路組成，冷凝器布置于蒸發器上方；DAM模擬件安裝于熱虹吸回路系統蒸發器，位于機箱下部，其結構參數、模擬熱源參數與實際DAM保持一致。

圖1　熱虹吸回路冷卻系統樣機組成圖Fig.1 The composition diagram of the prototyping of two phase thermosyphon cooling system

熱虹吸回路冷卻系統的工作原理為：基于兩相流熱虹吸機理，蒸發器內工質流經DAM模擬件吸熱，發生相變完成一次冷卻后，流向冷凝器，由機箱風機驅動空氣流經冷凝器完成環境二次冷卻，在重力作用下流向蒸發器，從而形成冷卻循環。

本文中的工作傾角為熱源的安裝面與豎直面之間的夾角，圖1中顯示的位置代表的工作傾角為90°。

2.2 DAM模擬件設計

為真實模擬DAM最嚴苛工況下的冷卻性能，DAM模擬件金屬殼體的材料及結構參數與實際DAM保持一致，采用電加熱管模擬高功率發熱器件，采用薄膜加熱器模擬低功率發熱器件，并采用合理的熱擴展和界面接觸材料確保發熱器件至熱虹吸回路蒸發器的傳熱路徑與真實DAM完全一致。高功率熱源分為270 W和60 W兩種，各4個，低功率發熱器件總熱耗約280 W，DAM模擬件總熱耗約1600 W，270 W熱源未經熱擴展前局部熱流密度約100 W/cm2。

2.3 熱虹吸回路設計

熱虹吸回路采用鋁合金材料，內部工質選用低沸點工質R134a，蒸發器通過氣管和液管與冷凝器相連，如圖2所示。

1工質分配支管2蒸發器3氣管4液管5冷凝器6充液管圖2 熱虹吸回路示意圖Fig.2 The schematic diagram of two phase thermosyphon cooling system

根據DAM熱源分布情況，蒸發器由4個蒸發模塊并聯而成，厚10 mm，蒸發器液態工質分配管路和氣態工質集成管路直徑分別為12.7 mm和25 mm，每個蒸發模塊的分配支管直徑均為8 mm，確保每個蒸發模塊的工質分配均勻性，從而達到4個主要熱源區的一致性散熱，蒸發器組成如圖3所示。

蒸發器與模擬熱源之間通過高導熱柔性襯墊相連，蒸發器模塊焊接形成密閉腔體，可承受10 MPa以上的壓力，蒸發器模塊腔體內部采用微槽群結構，確保蒸發腔內部工質與底板熱源區域的高熱流密度高效一次冷卻。

冷凝器采用平行流微通道換熱器，保證熱虹吸回路冷卻系統的高效環境散熱，冷凝器長600 mm，高300 mm，有多組平行的薄翅片和微通道換熱板焊接形成。其結構參見圖1中的冷凝器部分。對不同厚度微通道換熱板的換熱能力與空氣側流量進行分析對比，并開展冷凝器空氣側流量-壓損特性與冷凝器配備風機流量-壓損特性的匹配分析，最終選用寬度32 mm的微通道換熱板，并配備3個高效軸流風機，冷凝器散熱能力約2 kW，滿足1.5 kW熱耗DAM的環境散熱要求，符合DAM熱虹吸回路冷卻系統冷凝器尺寸設計要求。

圖3 蒸發器結構示意圖Fig.3 The structural diagram of evaporator

3　樣機性能測試

為保證并驗證熱虹吸回路冷卻系統的冷卻性能，首先針對對冷卻性能影響較大的系統充液量和工作傾角進行影響性測試分析，其次針對樣機的啟動特性和高溫環境下的冷卻性能進行測試分析。所有溫度測試結果均為模擬熱源溫度穩定后一段時間內多個時刻測點溫度的平均值。

3.1充液量對系統性能的影響分析

充液量對蒸發區工作壓力和系統循環驅動能力均存在影響，進而影響系統性能，是熱虹吸回路循環系統的一個重要參數。理論上對應一種散熱對象，熱虹吸回路循環系統存在一個最佳的充液區間。在工作傾角為10°時，針對0.895 kg、0.935 kg、0.965 kg、1.01 kg、1.04 kg、1.08 kg、1.12 kg和1.17 kg等不同充液量條件下，開展樣機系統冷卻性能測試，270 W熱源、60 W熱源以及冷凝器進出口的溫升測試結果如圖4所示。

測試結果表明，在充液量小于1.01 kg時，隨著充液量的提高，系統冷卻性能提升明顯，各熱源溫度不斷下降，在充液量達到1.01 kg以后，各熱源溫度基本穩定，樣機系統270 W模擬熱源的最高溫升約32 ℃。考慮到系統工作壓力隨充液量的增加而增大，為兼顧系統冷卻性能和工作穩定性，確定本系統最佳充液量為1～1.01 kg，后續測試工作均基于1.01 kg的系統充液量進行。

圖4 不同充液量下樣機系統溫度測試結果Fig.4 The test results of the prototyping with different liquid filling quantity

3.2 工作傾角對系統性能的影響分析

熱虹吸回路是重力驅動的兩相流系統，循環回路的工作傾角對系統性能影響很大。本文針對不同的工作傾角，測試樣機系統的冷卻性能。270 W熱源、60 W熱源的溫升測試結果如圖5所示。

圖5 不同工作傾角下樣機系統溫度測試結果Fig.5 The test results of the prototyping with different working inclination angles

測試結果表明，工作傾角為15°時，最有利于系統兩相流循環驅動，系統冷卻性能最好，樣機270 W熱源的最高溫升約30 ℃；當工作傾角小于5°或超過17.5°時，系統冷卻性能較差，工作傾角小于5°時，對應270 W熱源最高溫升超過35 ℃。

3.3 系統啟動特性分析

考慮到熱虹吸回路系統的啟動特性主要由蒸發區相變啟動特性以及系統的兩相流循環啟動特性決定，因此，熱源特性和工作傾角是對系統啟動特性影響最大的兩個因素，本文針對樣機全狀態模擬熱耗1.5 kW、器件熱流密度100 W/cm2的工況，在最不利于啟動的0°和1°的工作傾角下，分析樣機啟動特性，啟動過程中模擬熱源的溫度分布如圖6和圖7所示。

圖6 樣機系統0°工作傾角啟動特性Fig.6 The starting characteristic of the prototyping when working inclination angles is 0 degrees

圖7 樣機系統1°工作傾角啟動特性Fig.7 The starting characteristic of the prototyping when working inclination angles is 1 degrees

測試結果表明，樣機在沒有工作傾角的情況下，熱虹吸系統工質循環難度大，系統啟動特性較差，穩定時間超過10 min，啟動過程中模擬熱源最高瞬時溫度超過穩態溫度30 ℃以上，不滿足啟動階段的系統冷卻要求；樣機在1°工作傾角下可以平穩啟動，2 min內達到穩定狀態，啟動過程中模擬熱源最高瞬時溫度僅超過穩態溫度2 ℃左右，滿足啟動階段的系統冷卻要求。

3.4 高溫環境下系統性能分析

為了驗證樣機系統在極限高溫環境溫度的冷卻性能，針對充液量為1.01 kg、15°工作傾角的樣機系統，測試環境溫度為50 ℃下各模擬熱源的溫度，驗證高溫環境下系統性能。

待各模擬熱源(270 W和60 W兩種)測點溫度穩定后，取間隔10 s的5個連續溫度測試值取均值作為熱源穩態工作溫度。測試結果表明，在50 ℃極限高溫環境下，DAM模擬件中最左側270 W模擬熱源處表面溫度最高，為77.4 ℃，相同類型模擬熱源表面溫度差異小于5 ℃，滿足樣機系統熱控設計要求。

表1環境溫度50 ℃下模擬熱源溫度測試結果

Tab.1The temperature of simulated heat sources when ambient temperature is 50 ℃

環境溫度/℃270W模擬熱源1/℃270W模擬熱源1/℃270W模擬熱源3/℃270W模擬熱源4/℃5077.476.673.172.7

3.5 樣機系統結構參數測試

熱虹吸回路冷卻系統質量為6.5 kg，蒸發器厚度為10 mm，冷凝器尺寸為600 mm(長)×300 mm(寬) ×32 mm(厚)，滿足樣機系統質量及尺寸要求。

4　結論

本文針對典型4通道高功率DAM的冷卻問題，設計了一套緊湊型熱虹吸回路冷卻系統樣機，并在充液量、工作傾角對系統冷卻性能的影響以及系統啟動特性等方面開展了實驗研究。研究結果表明，本系統可以實現熱耗1600 W、局部熱流密度100 W/cm2的組件高效冷卻，系統啟動性能良好，最佳充液量為1～1.05 kg，最佳工作傾角為10°～17.5°。此外，本系統有進一步優化設計的潛力，可以實現更高熱耗、更高熱流密度的冷卻能力，在高功率組件級冷卻方面，尤其在實現組件分布式冷卻方面有廣闊的應用前景。

[1]王鑫煜，辛公明，田富中，等. 兩相閉式熱虹吸管強化傳熱研究進展[J]. 化工進展，2012, 31(5): 965-973.(WANG Xinyu, XIN Gongming, TIAN Fuzhong, et al. Research progress of heat transfer enhancement in two-phase closed thermosyphon[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2012, 31(5): 965-973.)

[2]Chen K, Chen Y, Tsai S． An experimental study of the heat transfer performance of a rectangular two-phase natural circulation loop[J]．Experimental heat transfer, 1990，3(1) : 27-47．

[3]張朋磊，王寶龍，韓林俊，等. 兩相熱虹吸循環蒸發側傳熱模型比較[J]. 化工學報，2013, 64(8): 2752-2759.(ZHANG Penglei,WANG Baolong, HAN Linjun, et al. Comparison of evaporating heat transfer m odels in two-phase thermosyphon loop[J]. CIESC Journal, 2013, 64(8): 2752-2759.)

[4]Noie S H, Heris S, Zeinali, et al. Heat transfer enhancement using Al2O3/water nanofluid in a two-phased closed thermosyphon[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2009, 9(5/6): 973-979.

[5]張朋磊，石文星，韓林俊，等. 兩相熱虹吸循環動量模型評價[J].制冷學報，2013，34(2)：1-8.(ZHANG Penglei, SHI Wenxing, HAN Linjun, et al. An assessment of momentum models for two-phase thermosyphon loop[J]. Journal of Refrigeration, 2013, 34(2)：1-8.)

[6]Imura H, Takeshita K, Horie Y, et al. Flow and heat transfer characteristics in a two-phase loop thermosyphon[J]. Trans of the JSRAE, 1988, 5(1) : 63-72.

[7]Imura H, Sasaguchi K, Kozai H, et al. Critical heat flux in a two-phase thermosyphon[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1983, 26(8): 1181-1188.

[8]Said S A, Akash B A. Experimental performance of a heat pipe[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 1999, 26(5): 679-68

[9]Esen M. Thermal performance of a solar cooker integrated vacuum-tube collector with heat pipes containing different refrigerants[J]. Solar Energy, 2004, 76(6): 751-757.

[10] 谷雅秀，吳裕遠，張林穎，等. 小型無泵溴化鋰吸收式制冷系統的實驗研究[J].制冷學報，2006, 27(5):17-21.(GU Yaxiu, WU Yuyuan, ZHANG Linying, et al. Experimental research on compact pump-free LiBr absorption refrigeration system[J].Journal of Refrigeration, 2006, 27(5):17-21. )

[11] Khrustalev D. Loop thermosyphons for cooling of electronics[C]//Semiconductor Thermal Measurement and Management, Eighteenth Annual IEEE Symposium. IEEE, 2002: 145-150.

[12] Khodabandeh R , Lindstrom M. Cooling of CPU with a thermosyphon[C]//2008 Second International Conference on Thermal Issues in Emerging, Technologies, THETA2, Cario, Egypt, 2008: 353-358.

[13] 周峰，馬國遠，王樹春，等. 通用電子設備艙用熱虹吸管均熱器性能[J]. 北京工業大學學報，2012, 38(6): 910-915.(ZHOU Feng, MA Guoyuan, WANG Shuchun, et al. Radiation performance of thermosyphon spreader for general sealed electric cabins[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2012, 38(6): 910-915.)

[14] 馬國遠，陳杰，周峰. 通信基站應用熱虹吸管換熱機組的節能潛力[J]. 北京工業大學學報, 2013, 39(1): 103-108.(MA Guoyuan, CHEN Jie, ZHOU Feng. Energy saving potential for the telecommunication base station using a thermosyphon heat exchanger[J].Journal of Beijing University of Technology, 2013，39(1)：103-108.)

[15] 韋幫遠，鄧建強，強科.通信基站熱管加蓄冷被動散熱的模擬研究[J]. 熱科學與技術, 2011,10(1)：38-44.(WEI Bangyuan, DENG Jianqiang, QIANG Ke. Numerical study on passive cooling system with heat pipes and cooling storage for telecommunication base station building[J]. Journal of Thermal Science and Technology, 2011,10(1)：38-44.)

[16] 方立軍，李佩，馬駿，等. 基于微波光電技術的未來數字陣列構想[J]. 雷達科學與技術, 2013, 11(6): 583-586. (FANG Lijun, LI Pei, MA Jun, et al. An idea for future digital array radar based on microwave optoelectronics[J]. Radar Science and Technology, 2013, 11(6): 583-586.)

Experimental Research on a Cooling System with Two Phase Closed Thermosyphon Loop for a DAM

Zhang GenxuanWang LuZhang XianfengHong Daliang

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei， 230088, China)

Two phase thermosyphon loop has a good potential of application in cooling of electronic equipment with high power source because of its relatively high efficiency of heat dissipation performance. To solve the cooling problem of a DAM with four channels, this paper designs a prototype of two phase closed thermosyphon cooling system. The starting characteristic of the system, the influence of the refrigerant charge and working inclination angle on its heat dissipation performance are investigated experimentally in this paper. The results show that the structure and heat dissipation performance of the system match the requirement. It also can be found that the starting characteristic and the working performance of the system are very good. In addition, a 1600 W module with local heat flux near 100 W/cm2is cooled very well by the system in this paper.

thermosyphon loop; cooling system; electronic equipment; experiment research; R134a

0253-4339(2016) 01-0090-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.090

國家安全重大基礎研究項目(613164030102)資助項目。(The project was supported by National Security Major Basic Research Project of China( No. 613164030102).)

2015年4月26日

TK124；TB61+1

A

簡介

張根烜， 男，博士，中國電子科技集團公司第三十八研究所，(0551)68591772， E-mail: zgxagen@ustc.edu。研究方向：雷達結構設計與環控設計。

About the corresponding authorZhang Genxuan, male, doctor, No. 38 Research Institute of CETC,+86 551-68591772, E-mail: zgxagen@ustc.edu. Research fields: the design of the structure and environment control of radar.