一種機載液冷系統的流量分配設計方法

謝明君，孫彤輝，李姣姣

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著科學技術的發展和進步，電子設備的功率不斷增加，體積日益縮小，熱密度急劇上升，電子設備因溫度升高導致的故障率越來越高[1-5]。機載電子設備具有結構緊湊，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、高熱密度情況下機載電子設備的散熱是特種飛機環境控制中一個十分關鍵的問題，也是特種飛機完成使命的一個重要保證[6-7]。

針對大功率電子設備的冷卻問題，目前國內外先進戰斗機和特種飛機均廣泛采用液體冷卻系統，美國的F-22采用機載蒸發循環和液體冷卻系統相結合的一體化綜合能量管理系統(ECS/TMS)[8-11]，A-50，E-3C和SU-27等也都采用了液冷系統。載機冷卻資源往往受到嚴格限制，機載液冷電子設備運行的經濟性和可靠性很大程度上取決于各系統的液冷流量分配設計，因此，設計一種優良的液冷系統流量分配方案迫在眉睫。本文利用流體仿真軟件6SigmaET對液冷系統進行流體仿真并開展了樣機測試工作，提出了一種液冷流量分配設計方法，使液冷系統具有良好的擴展性及廣泛的應用場景。

1 流量分配要求

某機載干擾分系統包含10個功放模塊和2臺5U功放電源分機。單個功放模塊外形尺寸為334 mm×195 mm ×54 mm，內部有4個功率管。單個功率管熱功耗為175 W，底座材質為純銅，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。電源分機內部有4個電源模塊，單個模塊熱功耗為262.5 W。系統熱功耗合計9 600 W。載機提供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 液冷系統的壓力損失≤0.3 MPa；

⑤ 干擾分系統滿足19英寸標準機柜安裝要求。

本文通過解決在實際工程設計中遇到的機載干擾分系統中的流量分配問題，設計了一種較優的液冷流量分配方法。

2 流量分配設計方法

將1路冷卻液合理分配給多個液冷模塊(冷板)，滿足系統內所有電子設備最高溫度、溫度一致性和液冷系統壓力損失要求，是一個典型液冷流量分配設計問題。丁文杰[12]針對U型并聯多通道流量分配問題，提出了一種采用無量綱參數支管流量比β和流量喪失比Δ來預估分配是否均勻的方法。關宏山[13]對某相控陣雷達液冷系統的分布式液冷系統流量分配問題進行了論述，提出了增大液冷模塊與管網流阻之間的比值，并在液冷模塊支路出口設置孔板調節裝置來實現流量精確分配。朱春玲[14]采用限流閥、限流環地面流量分配試驗的方式進行流量分配設計。趙亮[15]提出了一種液冷電子設備流量分配的數學模型和計算方法，針對關鍵系數進行了討論。

解決此類問題的常規方法是建立整個液冷系統的熱仿真模型，通過調整內部流道結構迭代計算逼近設計目標。當液冷系統結構較為復雜，設計目標不止一個時，仿真對計算資源的需求巨大，迭代工作量呈指數增長，甚至無法求得結果。

針對功放+電源這類產品的液冷流量分配問題，優化設計流程如圖1所示。首先，總體方案設計，確定系統的流量分配方式和各支路目標流量；其次，進行各支路冷板結構設計，單個冷板內部對最小散熱單元采用相同的模塊化流道結構；最后，進行液冷系統流量分配設計，對各支路的阻抗進行匹配，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，降低了設計難度和研制風險，提高了復雜系統的設計效率，并使液冷系統具有良好的擴展性。

圖1 液冷流量分配設計流程

3 液冷流量分配設計

3.1 總體方案設計

3.1.1 流量分配方式

流量分配方式有串聯管路、并聯管路和管網，管網分為支狀管網和環狀管網。

串聯管路各段流量相等，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。

并聯管路的總流量等于相并聯各支管流量之和，相并聯各支管能量損失相等，管路的總阻抗平方根倒數等于各并聯支管阻抗的平方根倒數之和。

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

并聯管路結構簡單，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 ℃，本文采用并聯管路的分配形式。

根據各支路熱負荷對冷卻液流量進行同比例分配，可確保各支路產生的溫升一致，有利于控制各模塊的溫度一致性。并聯結構各支路的流量取決于該支路的阻抗，阻抗越大的支路，流量越小；阻抗越小的支路，流量越大。通過在各支路入口設置限流環匹配支路阻抗可以達到按需分配流量的目的。

3.1.2 總體結構

根據模塊的尺寸和安裝要求，設計機載干擾分系統布局如圖2所示。冷板尺寸為470 mm×450 mm×20 mm(寬×長×高)，安裝在機柜的L型導軌上。冷板上安裝T型和L型結構件，功放模塊通過楔形鎖緊機構壓緊在冷板上，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在電源分機內部，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，載機供(回)液接口與載機冷卻液相連。

圖2 干擾分系統結構布局

圖3 功放模塊與冷板1裝配

3.2 冷板結構設計

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。電子設備的熱量通過熱傳導傳遞至冷板，冷板內有液體流道，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，經真空釬焊后進行熱處理達到T6狀態。為了進一步提高散熱性能，采取以下措施：

① 功放模塊與冷板的接觸面涂SZ-6014導熱脂(熱導率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構翅片[16]，加大換熱面積，提高局部紊流強度，增大了局部換熱性能。

液冷系統中，冷板1的熱負荷和熱流密度最大，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內部設計為相互獨立雙層蛇形流道結構，每層流道內部為并聯的2個流程，即冷板上的4個功放模塊對應1個獨立的流程。采用熱仿真軟件6GigmaET對冷板3進行仿真，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采用相同結構的單層流道，即內部過流斷面的面積為冷板1～冷板2的1/2。

3.3.1 系統阻抗匹配設計

系統阻抗匹配通過調整水分路器出口結構尺寸實現。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，與對應冷板內部通徑相等。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對液冷系統進行流體仿真，設置分路器出口1～出口5的Δ為變量，以各支路分配流量±0.2為目標值進行仿真迭代。

仿真結果如表1所示。各出口流量及流速如圖5所示，基本滿足要求。

表1 流量分配仿真結果

Tab.1 Flow distribution simulation results

支路流通面積比/%目標流量/L·min-1仿真結果/L·min-118711.611.528411.611.63845.85.64604.04.25554.04.1

圖5 系統流體速度跡線

3.3.2 系統壓力損失校核

由于冷板1～冷板5采用了并聯的連接方式，并聯系統總阻抗的平方根倒數等于各支路阻抗平方根倒數之和，經仿真計算系統壓力損失約為0.25 MPa。

4 測試驗證

流量分配系統樣機如圖6所示。使用安捷倫溫度巡檢儀對各模塊芯片殼溫進行了測試，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供回液口，在冷卻液溫度50 ℃，流量為37 L/min的條件下，系統壓力損失為0.26 MPa，各項指標滿足要求。

圖6 流量分配系統樣機

表2 溫度測試結果

Tab.2 Temperature test results

支路設計要求/℃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 結束語

本文將液冷系統流量進行分配設計，通過在各支路入口設置限流環匹配支路阻抗以達到按需分配流量的目的；同時，對各支路的阻抗進行匹配，對流量、溫度及壓力降的耦合問題拆分，降低了設計難度和研制風險，提高了復雜系統的設計效率，并使液冷系統具有良好的擴展性。本文提出的設計思路和方法能夠提高工作效率，降低后期試驗的工作量，對同類產品具有一定的借鑒性。機載液冷流量分配系統已經過定型并進行批量生產，下一步將在流量自適應調節設計方面開展研究工作。