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綜合模塊化航空電子的液冷設計

作者:程勁嘉 來源:本站 日期:2018-03-19 浏覽:499次
文章導讀: 介紹了液體冷卻技術在綜合模塊化航空電子設備上的應用, 重點放在液體冷卻技術在工程實現上所需要的典型模型、冷闆流道選擇、液流通道的設計與相關計算等相關内容上。樣件測試的結果表明了這一技術的工程化應用對機架設備散熱帶來的優點 。

引言

航空電子設備的發展在形式上基本是由設備級向模塊級、片上系統級方向發展,大大提高了航電系統的性能,減少了航電設備的體積、 重量和功耗, 提高了航電系統和設備的可靠性和維修性, 有利于系統的升級換代。

對新一代軍用 航電系統更強大功能的需求、 元器件技術的飛速發展, 以及模塊化集成度的提高, 将要求航空電子設備能以更小的體積、更輕的重量提供更為優越的系統性能。 這一要求直接導緻了在各級電子封裝上産生高的功率密度, 而一般認為, 電子元件上高熱量的聚集( 結點高溫) 是造成設備可靠性降低的主要原因。 因此, 如何實現有效的熱管理( 控制元件結點溫度) , 成為提高航電系統工作可靠性的關鍵技術問題。

在以往實際應用中 , 由 于航電設備功率密度并不高, 通常采用 簡單的自 然散熱方式。 這一方法具有一定的散熱能力 , 也不會使冷卻結構過于複雜 , 但是把模塊的承載功率限定在了 10 W 左右的低水平, 限制了模塊技術的發展。 其它一些熱管理方式, 如傳導冷卻、氣流冷卻等, 雖然大大提高了模塊的承載功率, 但也僅 能達到 30~ 100 W 的範圍。 表面安裝技術( SMT) 使封裝密度有了 巨大的技術進步, 并把模塊的承載 功率提 高到 了 100 W乃 至幾 百瓦 的級别[ 1] 。 在新一代飛機平台明确采用綜合模塊化的航空電子系統的情況下, 如果不采用 新的散熱冷卻方式, 元件的結溫将顯著提高, 從而導緻各系統設備可靠性嚴重下降, 在有些情況下, 甚至會導緻元件功能失效。

液體冷卻技術在美國F22 上的成功應用, 帶動了國内航空電子系統液冷技術的發展。這一技術成為當前國内綜合模塊化航空電子系統熱管理技術的發展趨勢。

液體冷卻的優勢

相較于傳統的散熱方式, 在綜合模塊化航空電子系統的設備上采用液體冷卻方式具有以下優點:

( 1) 液冷散熱效率高, 熱傳導率為傳統風冷方式的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) 機架/ 機箱内部模塊耗散的熱量不會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, 模塊、機架的結構尺寸較小, 重量輕;

( 5) 采用液冷冷闆可以減小溫度的波動和循環,提供較低的熱阻通路。

液體冷卻通常有3 類形式: 傳導液冷形式、穿通液冷形式和浸漬液冷形式[ 3], 就工程實用性而言, 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 

适用于綜合模塊化航空電子設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, 傳導液冷方式主要針對機架/ 機箱液冷,模塊傳導散熱; 穿通液冷主要針對模塊液冷。

傳導液冷冷闆主要用于機架/ 機箱上液體冷卻介質的熱交換, 屬于普通的熱交換器模式; 而穿通液冷冷闆主要用于控制模塊上的熱點溫度。對于前者, 由于LRM 接口标準的統一設計, 冷闆冷卻介質隔離的接觸面積基本一緻, 擴散熱阻的影響較小, 其性能和效率主要取決于其模塊與冷闆壁面表面換熱

特性的變化情況。而對後者, 冷闆的幾何外形和熱源的特征尺寸相差很大, 擴散熱阻對其能否達成設計目的有着重要聯系, 通道中的流量/ 流速, 對于熱點的溫度起主導作用。

當然, 抛開散熱的特點及設計要求的不同, 在具有完整液體通路的設備上, 兩種模型在簡化結構形式上有類似的原理表達: 一是設計帶有一定類型流道形式的冷闆, 二是通過冷闆橋接構成通路的分流軌。以三層冷闆結構的模塊化綜合機架為例, 液冷的結構設計如圖2 所示。

 

圖2 液冷機架結構設計示意圖

與圖3 所示穿通液冷模塊的結構設計原理圖比較可知, 兩種設計在原理上具有一緻性。

 

圖3 穿通液冷模塊結構設計示意圖

流道選型

液冷機架和穿通液冷模塊的冷闆具有相同設計原理, 但針對不同的散熱目的, 兩者在流道的選擇上有所不同。

液冷機架的冷闆隻需要确保提供LRM 穩定的冷卻界面, 而穿通液冷模塊的冷闆則針對模塊内部熱點的溫度控制。因此, 前者流道選用普通的蛇形流道, 後者選用螺旋形[ 4] 或做局部強化的流道類型,如圖4~ 6 所示。圖4 所示液冷機架的冷闆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展模式) ) ) 單管并行流道類型, 圖6 則是單管加局部強化的流道類型。

 

圖4 液冷機架冷闆流道示意圖

 

圖5 模塊冷闆螺旋形流道

 

圖6 模塊冷闆單管流道局部強化

 

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, 但相對而言對熱點的溫度控制較差。為兼顧流道阻力小和冷闆對熱點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。單管加局部強化的流道形式則更适合功能模塊内部元器件的散熱要求, 同時加工方便, 便于實現标準化。

當冷闆産品面臨批量化、規模化生産時, 基于成本、加工周期和可靠性的目的可以采用釺焊翅片的方式來代替銑制加工流道。

液流通路

液體冷卻方式的最終實現是通過液體冷卻介質在完整循環回路中完成帶走電子設備内模塊産生的熱量, 加熱後的冷卻介質在飛機平台的液冷源中二次換熱, 冷卻介質制冷後重新進入管路輸入設備[ 3] 。

對于設備而言, 所考慮的液流通路設計是指以下流程的各個環節: 液流入口y 分流軌y 模塊/ 機架冷闆y彙流軌y 液流出口, 主要針對液流連接器的選擇、分流/ 彙流的實現、液流通路流阻以及各環節之間的密封。

液流通路的設計涉及到流量的計算、流阻的計算與仿真、分流/ 彙流軌的加工實現、管路通徑計算與仿真、液流通路的密封等。

流量按照公式( 1) 計算确定。

 

通過公式( 1) ~ ( 3) 計算并輔以計算機仿真來确定設備對冷卻介質的流量要求、流阻的基本情況及管路通徑的要求。

對液流通路中分流/ 彙流的設計一般考慮3 種方式, 一是采用銑制液流槽加焊接密封蓋闆, 二是通孔形式, 三是管路連接形式。

對設備内部液流通路各連接環節的密封則根據技術的成熟度選擇焊接密封、密封圈密封或轉接頭密封。

樣件的測試結果

首先, 模塊樣件所包含的冷闆采用了普通銑制多管并行流道, 機架樣件則采用了銑制單管蛇形流道, 均單獨進行了1. 5 MPa的耐壓測試, 證明了其設計的密封性和耐壓實用性。

因為散熱器件樣本的熱耗及熱流密度較低, 樣件的實驗測試重點放在液冷機架上, 對穿通液冷模塊僅做了一般功能性實驗評估。對冷闆的流動阻力曲線[ 5] 和平均換熱系數進行了采樣, 所得關系曲線如圖7 和圖8 所示。

 

圖7 冷闆流動阻力曲線

 

圖8 冷闆平均換熱系數

測試表明, 模塊冷闆在1 L/ min 流量以内可以達到約1 950 W/ m2•K的平均換熱系數, 對應的差壓為0. 22 bar左右。對于壓力損失的預測和計算數值相比誤差在20% 左右。

通過對機架樣件的測試[ 5] 、采樣( 主要是樣件在環境溫度分别為35℃、55℃和70℃的不同階段, 供液溫度控制在35℃時各測試點的溫度變化情況) ,數據整理後得到機架樣件平均熱阻與流量以及流量與壓降的關系, 如圖9 和圖10 所示。

 

圖9 機架平均熱阻- 流量關系圖

 

圖10 機架流量- 壓降關系圖

 

以上為測試狀态下整機流動阻力曲線( 24℃、40℃) , 可見随溫度的升高, 由于液體的密度随溫度降低, 體積流量必然細微變大, 導緻壓降略微增加。

結 論

針對液冷模塊、機架的計算、仿真和樣件的測試結果說明了設計的可用性, 采樣獲得的數據說明了液體冷卻具有以下特性:

( 1) 液冷機架和模塊的溫度對外界環境溫度并不敏感, 在供液溫度流量一定的情況下, 外界環境的變化對内部溫度結構體溫度變化影響不大;

( 2) 液冷機架和模塊的溫度對于流量十分敏感, 對流量變化相應很快;

( 3) 由于液體的Cp 和導熱系數均高出空氣數十至上百倍, 故其溫度響應速度快, 時間常數小, 進入穩定狀态的時間短;

( 4) 在環境溫度變化而流體溫度保持不變時, 隻

需相應增加流量;

( 5) 在流體溫度保持不變時, 由于機架内環境溫度變大會使得流體帶出的熱量增大, 導緻高溫時的熱阻較低溫時高;

( 6) 在外界環境較惡劣時, 液冷機架和模塊可将溫度控制在比較低的範圍, 且響應速度比較快, 充分體現了液冷的優勢。

采用液體冷卻方式的機架和模塊結構, 為高度集成化的新一代航電系統的技術發展提供了提高熱可靠性的結構設計技術。對于國内新一代綜合模塊化航空電子熱控制技術的選擇, 應首先考慮液體冷卻技術, 用以解決設計中面臨的數百瓦級模塊散熱問題。

目前, 國内對液體冷卻的研究更多地集中在液體間接冷卻的工程應用方面( 包括流道類型、工藝實現) , 而對該技術的擴展性研究( 如測試、接口、冷卻介質、污染性影響和其它液冷模式) 明顯不足, 制約了新一代飛機平台上綜合模塊化航空電子的技術研制, 必須立足于液體冷卻技術的擴展性研究工作, 盡快完成技術标準體系的建立。

 

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