基于兩相流均熱板的數字子陣散熱及優化

郁圣杰， 李 謙， 張德俊

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所， 江蘇南京 211153)

0 引言

為適應現代戰爭需求，有源相控陣雷達需要構建為開放式的陣面系統，實現可重構、可擴展功能，根據作戰需求調整陣面規模和陣面功能，滿足現代雷達性能提升要求。滿足更高靈活性、開放性的自適應陣列新一代有源相控陣雷達，使整個陣面設計從傳統的單一功能模塊組合，發展為高集成、多功能、綜合一體化的“多級模塊化”的多功能陣面，向適應大批量制造和低成本方向發展，“多級模塊化”的設計思想帶來了新一代有源相控陣天線的技術變革。

新一代有源相控陣雷達采用“多級模塊化”設計思想，將信號接收、處理、傳輸等功能件模塊化設計為數字子陣(以下簡稱子陣)形式，根據需求改變子陣數量對有源面陣進行重構。本文針對有源面陣中的子陣散熱進行了研究和優化。

1 物理模型及散熱方案

子陣作為面陣基本組成單元，裝配時通過骨架與天線陣面進行插合，插合到位與面陣骨架固定。面陣的冷卻示意圖如圖1所示，面陣上下安裝風機將冷卻風引導至被散熱子陣，通過子陣自身的散熱翅片進行強迫對流換熱，交換后的熱量通過兩側的出風口帶走。

圖1 面陣冷卻示意圖

子陣外形尺寸為107 mm×110 mm×140 mm(寬×高×深)，由轉接板、收發組件、射頻模塊、電源板、數字板等組成，各模塊依次垂直疊裝、盲插互聯，整個結構緊湊，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，收發組件和射頻模塊熱量分布于安裝面，電源板和數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

對子陣熱源的大小和分布進行綜合分析，常規的液冷和風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，即兩相流均熱板進行散熱。熱傳遞路線為：收發組件和射頻模塊熱源緊貼均熱板，電源板和數字板上發熱器件通過導熱傳遞至均熱板，均熱板內相變工質受熱蒸發將熱量傳遞至冷凝端，到達冷凝端熱量采用強迫對流方式帶走后，工質變為液態返回蒸發端重復下一個循環。

2 兩相流均熱板冷卻機理

兩相流均熱板是利用液體在低溫下的蒸發過程向被冷卻物體吸收熱量實現冷卻，它是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，通過在全封閉真空管內的液體蒸發與凝結來傳遞熱量，并利用毛細作用等流體原理，起到制冷效果，具有很高的導熱性、優良的均溫性、熱流密度可變性、傳熱效率高、結構緊湊、流體阻力小等優點，冷卻機理如圖3所示。

圖3 兩相流均熱板冷卻機理

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，外殼一般選用導熱系數較高的材料，同時綜合考慮成本、制造工藝、強度、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。冷板內部為近似真空的腔體，保證工質可以在低溫條件下發生高強度的相變。

2) 充液管 充液管主要作用是作為工質注入的管道入口以及內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) 毛細吸液芯 吸液芯作用是為工質提供流動通道，促進液體回流，保證均熱板正常工作。吸液芯材料一般與外殼相同，但其幾何形態各異，常見的為各種多孔介質(銅粉燒結吸液芯、絲網燒結吸液芯、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，防止因熱應力或負壓造成變形和泄漏，其材料與外殼材料相同。

5) 相變傳熱工質 常見的工質有去離子水、丙酮、乙醇等。

3 熱傳遞分析、計算與測試

3.1 熱傳遞分析

通常，任何物理量的傳輸都需要傳輸的動力，同時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系式：

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

綜合分析子陣的物理模型，收發組件通過導熱將熱量傳遞至兩相流均熱板，電源板和數字板通過導熱將熱量傳遞至射頻模塊后再隨射頻模塊一起導熱至均熱板，最后傳遞至均熱板的熱量由對流換熱形式傳遞至環境，具體熱傳遞示意圖如圖4所示。考慮子陣熱量最終由強迫風冷帶走，故熱阻分析時忽略輻射換熱熱阻，主要分析導熱熱阻和對流換熱熱阻，根據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，設計過程應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，接觸面增加導熱襯墊、涂抹導熱硅脂、安裝石墨烯材料等措施減小導熱過程熱阻；均熱板冷凝段設計散熱翅片增大對流換熱面積，并通過風機吹風提高對流換熱系數減少對流換熱熱阻等。

3.2 熱計算與仿真

根據熱平衡方程：

(1)

式中：是子陣散熱所需空氣風量；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、出口溫差，根據經驗取Δ=8 ℃。風量裕量系數選擇12，計算所需風量約為45 CFM。

運用熱仿真軟件分別對環境溫度30 ℃和50 ℃情況進行計算，結果分別如圖6和圖7所示。由此可知，環境溫度30 ℃下，均熱板接觸面上的最高溫度為75 ℃，考慮到接觸熱阻，收發組件安裝面溫度77 ℃,收發組件發熱器件溫度一致性在5 ℃以內，最高溫度位于電源板器件，為86.1 ℃；環境溫度50 ℃下，均熱板接觸面上的最高溫度為95 ℃，考慮到接觸熱阻，收發組件安裝面溫度為97 ℃,收發組件發熱器件溫度一致性在5 ℃以內，最高溫度位于電源板器件，為106.1 ℃。

圖6 子陣環境30 ℃溫度分布圖

圖7 子陣環境50 ℃溫度分布圖

3.3 熱測試與驗證

為驗證子陣散熱性能，樣機裝配測試完成后，在30 ℃和50 ℃環境下對子陣進行了熱測試。試驗過程中，將子陣放置于密閉空間，對環境溫度進行控制，關注部位布置溫度傳感器，通過溫度測試儀器監測環境及子陣工作時的溫度，試驗臺布置如圖8所示，紅外熱像儀記錄子陣試驗過程中溫度分布梯度如圖9所示，不同環境溫度下測試結果如圖10和圖11所示。

圖8 子陣熱測試與驗證試驗臺

圖9 子陣溫度分布梯度

圖10 環境30 ℃下子陣監測溫度隨時間變化

圖11 環境50 ℃下子陣監測溫度隨時間變化

圖10為子陣在環境溫度30 ℃下，子陣發射全開狀態下滿功率工作溫度分布和關鍵點監測溫度隨時間變化圖，可知監測點溫度分布云圖與仿真結果基本一致。收發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構件二次傳遞，導致熱阻較大，溫度較高，最高處高達75 ℃。

當環境溫度提高至50 ℃后，子陣在接收狀態下工作正常，發射全開狀態下滿功率工作時開機10 min左右子陣突然停止工作，自動斷電。經分析，子陣停止工作是由于電源板個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，將電源板及數字板熱量直接通過冷板傳遞至均熱板，然后繼續開展試驗，試驗順利通過，圖11為環境溫度下子陣監測溫度隨時間變化情況，電源板器件最高處高達95 ℃，但存在小范圍波動，冷板仍需改進。

4 優化設計

經過測試可知收發組件、射頻模塊和數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，電源板上的發熱器件較為分散，重點對電源板散熱進行優化。具體進行如下優化：1)優化電源板與數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，簡化面陣風道布局；3)子陣進行結構優化設計，深由140 mm縮減為87 mm，使子陣輕薄化。子陣優化后物理模型如圖14所示。

圖12 優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 子陣優化后物理模型

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

圖15 子陣優化后環境30 ℃溫度分布圖

圖16 子陣優化后環境50 ℃溫度分布圖

5 結束語

優化后的數字子陣采取小型化多功能方式完成了高集成度立體數字子陣的研制，驗證了大功率電源背板分區設計、多層多通道微波信號垂直互聯等關鍵技術，并通過優化實現了數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。