引言
航空電子設(shè)備的發(fā)展在形式上基本是由設(shè)備級(jí)向模塊級(jí)、片上系統(tǒng)級(jí)方向發(fā)展，大大提高了航電系統(tǒng)的性能，減少了航電設(shè)備的體積、 重量和功耗, 提高了航電系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性和維修性, 有利于系統(tǒng)的升級(jí)換代。
對(duì)新一代jy 航電系統(tǒng)更強(qiáng)大功能的需求、 元器件技術(shù)的飛速發(fā)展, 以及模塊化集成度的提高, 將要求航空電子設(shè)備能以更小的體積、更輕的重量提供更為優(yōu)越的系統(tǒng)性能。 這一要求直接導(dǎo)致了在各級(jí)電子封裝上產(chǎn)生高的功率密度, 而一般認(rèn)為, 電子元件上高熱量的聚集( 結(jié)點(diǎn)高溫) 是造成設(shè)備可靠性降低的主要原因。 因此, 如何實(shí)現(xiàn)有效的熱管理( 控制元件結(jié)點(diǎn)溫度) , 成為提高航電系統(tǒng)工作可靠性的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
在以往實(shí)際應(yīng)用中 , 由 于航電設(shè)備功率密度并不高, 通常采用 簡(jiǎn)單的自 然散熱方式。 這一方法具有一定的散熱能力 , 也不會(huì)使冷卻結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜 , 但是把模塊的承載功率限定在了 10 W 左右的低水平, 限制了模塊技術(shù)的發(fā)展。 其它一些熱管理方式, 如傳導(dǎo)冷卻、氣流冷卻等, 雖然大大提高了模塊的承載功率, 但也僅 能達(dá)到 30~ 100 W 的范圍。 表面安裝技術(shù)( SMT) 使封裝密度有了 巨大的技術(shù)進(jìn)步, 并把模塊的承載 功率提 高到 了 100 W乃 至幾 百瓦 的級(jí)別[ 1] 。 在新一代飛機(jī)平臺(tái)明確采用綜合模塊化的航空電子系統(tǒng)的情況下, 如果不采用 新的散熱冷卻方式, 元件的結(jié)溫將顯著提高, 從而導(dǎo)致各系統(tǒng)設(shè)備可靠性嚴(yán)重下降, 在有些情況下, 甚至?xí)?dǎo)致元件功能失效。
液體冷卻技術(shù)在美國(guó)F22 上的成功應(yīng)用, 帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)航空電子系統(tǒng)液冷技術(shù)的發(fā)展。這一技術(shù)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)綜合模塊化航空電子系統(tǒng)熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
液體冷卻的優(yōu)勢(shì)
相較于傳統(tǒng)的散熱方式, 在綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的設(shè)備上采用液體冷卻方式具有以下優(yōu)點(diǎn):
( 1) 液冷散熱效率高, 熱傳導(dǎo)率為傳統(tǒng)風(fēng)冷方式的20 倍以上, 熱耗容易傳到液體熱沉[ 2] ;
( 2) 冷卻劑的溫度容易控制;
( 3) 機(jī)架/ 機(jī)箱內(nèi)部模塊耗散的熱量不會(huì)排放到其所處的空間, 避免了相互間的影響;
(4) 采用液體冷卻時(shí), 模塊、機(jī)架的結(jié)構(gòu)尺寸較小, 重量輕;
( 5) 采用液冷冷板可以減小溫度的波動(dòng)和循環(huán),提供較低的熱阻通路。
液體冷卻通常有3 類形式: 傳導(dǎo)液冷形式、穿通液冷形式和浸漬液冷形式[ 3], 就工程實(shí)用性而言, 在航空電子上采用的液體冷卻形式通常是前兩種。
典型的模型方案
適用于綜合模塊化航空電子設(shè)備的液體冷卻方式的典型散熱模型[3,4] 如圖1 所示。
圖1 液體冷卻散熱模型示意圖
其中, 傳導(dǎo)液冷方式主要針對(duì)機(jī)架/ 機(jī)箱液冷,模塊傳導(dǎo)散熱; 穿通液冷主要針對(duì)模塊液冷。
傳導(dǎo)液冷冷板主要用于機(jī)架/ 機(jī)箱上液體冷卻介質(zhì)的熱交換, 屬于普通的熱交換器模式; 而穿通液冷冷板主要用于控制模塊上的熱點(diǎn)溫度。對(duì)于前者, 由于LRM 接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一設(shè)計(jì), 冷板冷卻介質(zhì)隔離的接觸面積基本一致, 擴(kuò)散熱阻的影響較小, 其性能和效率主要取決于其模塊與冷板壁面表面換熱
特性的變化情況。而對(duì)后者, 冷板的幾何外形和熱源的特征尺寸相差很大, 擴(kuò)散熱阻對(duì)其能否達(dá)成設(shè)計(jì)目的有著重要聯(lián)系, 通道中的流量/ 流速, 對(duì)于熱點(diǎn)的溫度起主導(dǎo)作用。
當(dāng)然, 拋開(kāi)散熱的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求的不同, 在具有完整液體通路的設(shè)備上, 兩種模型在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)形式上有類似的原理表達(dá): 一是設(shè)計(jì)帶有一定類型流道形式的冷板, 二是通過(guò)冷板橋接構(gòu)成通路的分流軌。以三層冷板結(jié)構(gòu)的模塊化綜合機(jī)架為例, 液冷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。
圖2 液冷機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
與圖3 所示穿通液冷模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理圖比較可知, 兩種設(shè)計(jì)在原理上具有一致性。
圖3 穿通液冷模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
流道選型
液冷機(jī)架和穿通液冷模塊的冷板具有相同設(shè)計(jì)原理, 但針對(duì)不同的散熱目的, 兩者在流道的選擇上有所不同。
液冷機(jī)架的冷板只需要確保提供LRM 穩(wěn)定的冷卻界面, 而穿通液冷模塊的冷板則針對(duì)模塊內(nèi)部熱點(diǎn)的溫度控制。因此, 前者流道選用普通的蛇形流道, 后者選用螺旋形[ 4] 或做局部強(qiáng)化的流道類型,如圖4~ 6 所示。圖4 所示液冷機(jī)架的冷板屬于典型的單管流道形式, 而圖5 所示螺旋形流道則屬于單管流道的擴(kuò)展模式) ) ) 單管并行流道類型, 圖6 則是單管加局部強(qiáng)化的流道類型。
圖4 液冷機(jī)架冷板流道示意圖
圖5 模塊冷板螺旋形流道
圖6 模塊冷板單管流道局部強(qiáng)化
單管流道阻力大, 但冷卻效果好, 易于加工, 成本低, 而多管并行流道阻力小, 但相對(duì)而言對(duì)熱點(diǎn)的溫度控制較差。為兼顧流道阻力小和冷板對(duì)熱點(diǎn)的冷卻效果好的要求, 需要采用單管并行或單管加局部微小并行通道模式。
螺旋形流道流阻小, 但加工難度和成本均較高。單管加局部強(qiáng)化的流道形式則更適合功能模塊內(nèi)部元器件的散熱要求, 同時(shí)加工方便, 便于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
當(dāng)冷板產(chǎn)品面臨批量化、規(guī)?；a(chǎn)時(shí), 基于成本、加工周期和可靠性的目的可以采用釬焊翅片的方式來(lái)代替銑制加工流道。
液流通路
液體冷卻方式的最終實(shí)現(xiàn)是通過(guò)液體冷卻介質(zhì)在完整循環(huán)回路中完成帶走電子設(shè)備內(nèi)模塊產(chǎn)生的熱量, 加熱后的冷卻介質(zhì)在飛機(jī)平臺(tái)的液冷源中二次換熱, 冷卻介質(zhì)制冷后重新進(jìn)入管路輸入設(shè)備[ 3] 。
對(duì)于設(shè)備而言, 所考慮的液流通路設(shè)計(jì)是指以下流程的各個(gè)環(huán)節(jié): 液流入口y 分流軌y 模塊/ 機(jī)架冷板y匯流軌y 液流出口, 主要針對(duì)液流連接器的選擇、分流/ 匯流的實(shí)現(xiàn)、液流通路流阻以及各環(huán)節(jié)之間的密封。
液流通路的設(shè)計(jì)涉及到流量的計(jì)算、流阻的計(jì)算與仿真、分流/ 匯流軌的加工實(shí)現(xiàn)、管路通徑計(jì)算與仿真、液流通路的密封等。
流量按照公式( 1) 計(jì)算確定。
通過(guò)公式( 1) ~ ( 3) 計(jì)算并輔以計(jì)算機(jī)仿真來(lái)確定設(shè)備對(duì)冷卻介質(zhì)的流量要求、流阻的基本情況及管路通徑的要求。
對(duì)液流通路中分流/ 匯流的設(shè)計(jì)一般考慮3 種方式, 一是采用銑制液流槽加焊接密封蓋板, 二是通孔形式, 三是管路連接形式。
對(duì)設(shè)備內(nèi)部液流通路各連接環(huán)節(jié)的密封則根據(jù)技術(shù)的成熟度選擇焊接密封、密封圈密封或轉(zhuǎn)接頭密封。
樣件的測(cè)試結(jié)果
首先, 模塊樣件所包含的冷板采用了普通銑制多管并行流道, 機(jī)架樣件則采用了銑制單管蛇形流道, 均單獨(dú)進(jìn)行了1. 5 MPa的耐壓測(cè)試, 證明了其設(shè)計(jì)的密封性和耐壓實(shí)用性。
因?yàn)樯崞骷颖镜臒岷募盁崃髅芏容^低, 樣件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試重點(diǎn)放在液冷機(jī)架上, 對(duì)穿通液冷模塊僅做了一般功能性實(shí)驗(yàn)評(píng)估。對(duì)冷板的流動(dòng)阻力曲線[ 5] 和平均換熱系數(shù)進(jìn)行了采樣, 所得關(guān)系曲線如圖7 和圖8 所示。
圖7 冷板流動(dòng)阻力曲線
圖8 冷板平均換熱系數(shù)
測(cè)試表明, 模塊冷板在1 L/ min 流量以內(nèi)可以達(dá)到約1 950 W/ m2?K的平均換熱系數(shù), 對(duì)應(yīng)的差壓為0. 22 bar左右。對(duì)于壓力損失的預(yù)測(cè)和計(jì)算數(shù)值相比誤差在20% 左右。
通過(guò)對(duì)機(jī)架樣件的測(cè)試[ 5] 、采樣( 主要是樣件在環(huán)境溫度分別為35℃、55℃和70℃的不同階段, 供液溫度控制在35℃時(shí)各測(cè)試點(diǎn)的溫度變化情況) ,數(shù)據(jù)整理后得到機(jī)架樣件平均熱阻與流量以及流量與壓降的關(guān)系, 如圖9 和圖10 所示。
圖9 機(jī)架平均熱阻- 流量關(guān)系圖
圖10 機(jī)架流量- 壓降關(guān)系圖
以上為測(cè)試狀態(tài)下整機(jī)流動(dòng)阻力曲線( 24℃、40℃) , 可見(jiàn)隨溫度的升高, 由于液體的密度隨溫度降低, 體積流量必然細(xì)微變大, 導(dǎo)致壓降略微增加。
結(jié) 論
針對(duì)液冷模塊、機(jī)架的計(jì)算、仿真和樣件的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了設(shè)計(jì)的可用性, 采樣獲得的數(shù)據(jù)說(shuō)明了液體冷卻具有以下特性:
( 1) 液冷機(jī)架和模塊的溫度對(duì)外界環(huán)境溫度并不敏感, 在供液溫度流量一定的情況下, 外界環(huán)境的變化對(duì)內(nèi)部溫度結(jié)構(gòu)體溫度變化影響不大;
( 2) 液冷機(jī)架和模塊的溫度對(duì)于流量十分敏感, 對(duì)流量變化相應(yīng)很快;
( 3) 由于液體的Cp 和導(dǎo)熱系數(shù)均高出空氣數(shù)十至上百倍, 故其溫度響應(yīng)速度快, 時(shí)間常數(shù)小, 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間短;
( 4) 在環(huán)境溫度變化而流體溫度保持不變時(shí), 只
需相應(yīng)增加流量;
( 5) 在流體溫度保持不變時(shí), 由于機(jī)架內(nèi)環(huán)境溫度變大會(huì)使得流體帶出的熱量增大, 導(dǎo)致高溫時(shí)的熱阻較低溫時(shí)高;
( 6) 在外界環(huán)境較惡劣時(shí), 液冷機(jī)架和模塊可將溫度控制在比較低的范圍, 且響應(yīng)速度比較快, 充分體現(xiàn)了液冷的優(yōu)勢(shì)。
采用液體冷卻方式的機(jī)架和模塊結(jié)構(gòu), 為高度集成化的新一代航電系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展提供了提高熱可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。對(duì)于國(guó)內(nèi)新一代綜合模塊化航空電子熱控制技術(shù)的選擇, 應(yīng)首先考慮液體冷卻技術(shù), 用以解決設(shè)計(jì)中面臨的數(shù)百瓦級(jí)模塊散熱問(wèn)題。
目前, 國(guó)內(nèi)對(duì)液體冷卻的研究更多地集中在液體間接冷卻的工程應(yīng)用方面( 包括流道類型、工藝實(shí)現(xiàn)) , 而對(duì)該技術(shù)的擴(kuò)展性研究( 如測(cè)試、接口、冷卻介質(zhì)、污染性影響和其它液冷模式) 明顯不足, 制約了新一代飛機(jī)平臺(tái)上綜合模塊化航空電子的技術(shù)研制, 必須立足于液體冷卻技術(shù)的擴(kuò)展性研究工作, 盡快完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。