某高功率收發模塊兩相冷卻系統實驗研究*

張先鋒，王恒遠，王虎軍，謝 標

（中國電子科技集團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的發展，收發功能模塊作為雷達等軍用電子裝備的核心部件，正向著數字化、集成化和輕量化方向發展[1-2]，特別是機載、球載等空基平臺電子載荷的重量、體積以及功耗等受到限制，集成度要求更高，對長航時飛行器電子載荷的任務可靠性也提出了苛刻要求。由于收發組件向著集成化方向發展，局部區域的熱流密度不斷增大，因此系統和組件的熱設計面臨嚴峻的挑戰[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。它通過液態工質在蒸發區域發生相變吸收電子設備等產生的熱量，由相應的循環回路將工質輸送到冷凝區域，實現與環境的熱交換，進而達到對電子設備進行冷卻的目的。其中，以重力為驅動力的熱虹吸回路可實現蒸發區域和冷凝區域的分離，它依靠重力驅動，系統無運動部件，具有結構簡單、傳熱效率高等特點，在工業節能、余熱利用、新能源開發、電子設備冷卻等領域得到應用[5-6]。

本文針對空基平臺某高熱耗8 通道收發模塊的冷卻問題，進行了基于熱虹吸回路的兩相冷卻系統樣機研制和性能評估，詳細分析了冷卻系統的啟動特性和工作性能，開展了工作傾角、冷凝能力等對系統性能影響的實驗研究。

1 兩相冷卻系統設計

1.1 系統組成及原理

該冷卻系統為閉式熱虹吸回路，由蒸發器、冷凝器、連接管路以及冷卻風機組成。其工作原理和熱管相似，工作過程如下：液態工質在蒸發器區域吸收電子設備熱量，發生汽液相變，變成氣態，在重力作用下，氣態工質進入冷凝器，與環境進行熱交換，變回液態，再回流到蒸發器，完成冷卻系統的循環。在此過程中實現了電子設備與外界環境的熱交換，完成對電子設備的冷卻。

本文設計的兩相冷卻系統用于空基平臺雷達設備中某8 通道收發模塊。該模塊的總熱耗為475 W，每個收發通道中功放器件的熱耗為40 W，局部熱流密度達到60 W/cm2，其余熱耗由收發通道其他器件及板級組件產生，熱流密度較小。要求功放器件殼溫的相對工作環境溫升不超過35?C，在正常工作狀態下，收發模塊垂直放置，允許有±20?的擺動。

本文研制的基于兩相冷卻系統的收發模塊如圖1所示。該收發模塊結構為三明治夾芯結構，即兩相冷卻系統的蒸發器位于中心，在蒸發器兩側分別設有器件安裝板，由功放器件等組成的收發組件以及各類板級組件分別安裝在兩側器件安裝板上。收發組件和板級組件中的各類電子器件在工作過程中產生的熱量，通過器件安裝板傳遞給兩相冷卻系統蒸發器，再通過兩相冷卻系統內部循環，將熱量傳遞到環境中，實現對收發模塊各類電子器件和組件的冷卻。

圖1 收發模塊組成圖

該冷卻系統的工作姿態如圖2 所示。在正常工作條件下，收發模塊成豎直狀態，即蒸發器冷卻面與地平面成90?角。由于該模塊安裝在空基運動平臺上，因此在工作過程中呈傾斜工作狀態，其工作傾角為θ，文中向右傾斜為正，相反方向為負。

圖2 收發模塊工作姿態

1.2 兩相冷卻回路設計

該兩相冷卻系統構型如圖1 所示，包括蒸發器、冷凝器、汽相管路和液相管路。在設計過程中，兼顧了系統重量要求、傳熱性能以及制造工藝等因素，各部件均采用鋁合金，系統工作介質為R134a。

該冷卻系統的蒸發器即為收發模塊的冷板，為平板式結構，外形尺寸為620 mm×110 mm×9 mm（長×寬×高）。針對收發模塊的散熱需求，在蒸發器8 個功放器件所在收發通道底部對應的冷板中各設置1 個冷卻通道。為了解決功放器件等高熱流密度器件的散熱，每個冷卻通道設置微小槽道強化換熱，提升散熱效率。針對各冷卻通道間的連接通路進行詳細設計，對連接通路的構型和流動阻力進行控制，實現各個冷卻通道并聯連接和冷卻介質在8 個冷卻通道間的合理分配，以保證收發模塊內各收發組件間的溫度一致性。

為了提升系統的可靠性，該系統采用了雙冷凝器設計。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，可實現冷卻系統的輕量化設計。每個冷凝器的尺寸為160 mm×110 mm×30 mm（長× 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的蒸發器和冷凝器相連。冷卻系統具備3 MPa 以上的承壓能力。

1.3 樣機測試系統設計

該樣機測試系統如圖3 所示，采用模擬熱源代替電子器件及組件，來評估該收發模塊的冷卻性能。熱流密度較大的8 個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組件采用均布熱源（即薄膜加熱片）來模擬。為了準確評估收發模塊的冷卻性能，模擬熱源的安裝板材料和結構參數與實際設計狀態一致，從模擬熱源到蒸發器的傳熱路徑和熱界面狀態也完全一致。

圖3 樣機測試系統示意圖

該冷卻系統重點關注了熱流密度較高的8 個功放器件的溫度，在每個功放器件模擬加熱塊安裝面布置了熱電偶，監測其溫度變化情況。

2 實驗結果與分析

2.1 啟動特性及工作性能

圖4 為在正常工作姿態下兩相冷卻系統的啟動和工作特性，環境溫度約為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。這是由于該收發通道所在的蒸發器冷卻通道內發生了熱管的啟動現象，即冷板內該冷卻通道冷卻介質發生汽液相變后流向冷凝器，兩相冷卻系統開始循環工作。在隨后的300 s內，其他通道也相繼出現了類似的啟動現象。收發模塊在工作1 000 s 后，冷卻系統基本平衡，各通道的溫升速率變緩。冷卻系統達到平衡后，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 樣機系統啟動及工作特性

在正常工作狀態下各個功放器件相對環境的溫升以及通道間最大溫差如圖5 所示。由圖5 可知，在冷卻系統穩定工作后，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，此時收發模塊內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

在系統工作過程中，模塊內通道間最大溫差也隨之改變。在收發模塊開始工作時，隨著各收發通道電子器件的溫度升高，通道間溫差不斷增大，在啟動后約150 s 時，溫差達到最大，約為5.4?C。此后，隨著冷卻系統各個冷卻通道正常啟動，通道間溫差也隨之降低，當冷卻系統正常工作后，該溫差也趨于穩定，約為3.5?C，模塊內通道間溫度一致性較好。

2.2 工作傾角影響

該兩相冷卻系統為重力驅動，在工作過程中模塊的擺放姿態將對冷卻系統的性能產生一定的影響。由于該模塊應用于空基平臺，在工作過程工作姿態會不斷變化，因此為保證收發模塊工作的可靠性，需對其影響進行評估和分析。圖6 為不同工作傾角下各個收發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，該冷卻系統在傾角為?20?～+60?時工作性能相對比較穩定，各個通道溫度變化較小，在2?C 以內。其中，工作傾角為20?時各個通道的溫升最小，冷卻系統的工作性能最優。這是由于在該冷卻系統中，兩翼的冷凝器在水平方向相對蒸發器為非對稱布置，當模塊出現向右傾斜即工作傾角稍稍增大時，冷凝器內汽液交界面和冷凝器的出液口相對高度會有所增加，這有利于冷卻系統的運行，因而工作溫度會下降。工作傾角繼續增大，液態工質在系統中的分布會發生較大變化，相應的重力驅動作用會減弱，導致系統工作性能惡化。由圖6 可知，該冷卻系統在設計工況下，傾角在?30?～75?之間，各個通道的溫升均小于35?C，均能滿足使用要求。

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

表1 不同傾角下收發模塊通道間溫差

2.3 冷凝能力影響

冷凝過程作為該冷卻系統工作的關鍵過程，對工作性能有較大影響。本文通過改變冷凝器的風速以及風機數量，調整系統的冷凝能力，研究不同冷凝能力下冷卻系統的工作性能。

圖7 給出了在收發模塊的工作傾角為0°時不同冷凝能力下各個通道的平均溫升和通道間最大溫差，展示了冷凝器出口風速（即冷凝風速）分別為3 m/s，6.5 m/s，9 m/s 以及11.5 m/s 時的工作性能。同時為了驗證該冷卻系統的可靠性，考慮了在單個風機出現故障即單風機工作時兩相冷卻系統的冷卻性能。文中對冷凝風速未做說明時，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，隨著冷凝風速的增大，兩相冷卻系統的散熱性能不斷增強，在雙風機均正常工作時，冷凝風速由3 m/s 增大到11.5 m/s，收發模塊的通道平均溫升由26.1?C 降至15.1?C；在單個風機出現故障即單風機工作時，冷凝風速由3 m/s 增大到11.5 m/s，通道平均溫升由39.7?C 降至22?C。對比雙風機冷凝風速為3 m/s 和單風機風速為6.5 m/s 時的通道平均溫升發現：在冷凝風量相當時，雙風機正常工作時冷卻系統的性能更優。另外，模塊通道間最大溫差受冷凝風速和風機工作狀態的影響不大，均在4?C 以下。在相同冷凝風速下，雙風機正常工作時，通道間溫度一致性更優，相對于單個風機工作時，通道間最大溫差約減小0.5?C。

表2 為雙風機正常工作時不同冷凝風速下兩相冷卻系統所需的功耗。從表2 可知，隨著冷凝風速的提高，冷卻系統的功耗急劇上升，冷凝風速由3 m/s增大到11.5 m/s 時，系統所需功耗由5.6 W 增大到69.6 W。

表2 不同冷凝風速下冷卻系統功耗

綜合考慮收發模塊的冷卻需求、平臺功耗限制以及可靠性等因素，冷凝風速選定為6.5 m/s。此時收發模塊在雙風機正常工作以及單風機工作2 種狀態下，各通道的溫升均能滿足小于35?C 的要求，而系統功耗僅為15.2 W，收發模塊的熱設計有足夠的冗余，冷卻系統綜合性能最優。

3 結束語

本文針對某8 通道收發模塊的冷卻問題，設計了一套基于熱虹吸回路的兩相冷卻系統樣機，并開展了樣機系統的啟動特性、工作傾角以及冷凝能力對系統性能影響的實驗研究，研究表明：

1）該冷卻系統可實現熱耗475 W、局部熱流密度60 W/cm2模塊的高效冷卻，啟動特性和工作性能良好；

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

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