羅曉宇,洪 瑋,習 磊

(1.中國電子科技集團公司第三十九研究所,西安 710065;2.陜西省天線與控制技術(shù)重點實驗室,西安 710065)

0 引 言

大型天線雷達系統(tǒng)中會使用各種大功率關(guān)節(jié)器件,這些器件產(chǎn)生的熱量要及時排出,否則會導致天線性能下降甚至系統(tǒng)癱瘓,合理有效的散熱技術(shù)是保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。目前,大功率關(guān)節(jié)器件常用的散熱方法有自然散熱、風冷、液冷等。風冷的設(shè)計方案是給發(fā)熱器件固定散熱片,熱量以傳導的方式傳遞到散熱片上,冷風經(jīng)過散熱片時帶走熱量實現(xiàn)熱交換;液冷一般是將冷卻液流道設(shè)計在靠近發(fā)熱設(shè)備最近的冷板內(nèi),通過冷卻液的流動帶走熱量。這兩種散熱都需要外接電源,屬于主動散熱。

圖1是某天線雷達工程中,使用的一種大功率同軸關(guān)節(jié),關(guān)節(jié)內(nèi)芯及波導同軸轉(zhuǎn)換處的場強值很高。通過實際的功率實驗,測得大功率同軸關(guān)節(jié)內(nèi)芯發(fā)熱量可達250 W/cm2。這種關(guān)節(jié)局部溫度高、面積小、單位面積熱流密度超高,已經(jīng)遠遠超過熱管等器件的傳導能力[1]。因此,必須采取額外的冷卻干預(yù)手段,將關(guān)節(jié)產(chǎn)生的熱量通過某種方式導出。本文利用被動散熱理念,將風冷與液冷散熱原理相結(jié)合,利用液體的汽化屬性,設(shè)計了一個被動式散熱裝置,該裝置無須外接電源、安全可靠,為后期電子設(shè)備散熱設(shè)計提供了新的思路。

圖1 關(guān)節(jié)場強示意Fig.1 Joint field strength indication

1 被動式散熱裝置工作原理

被動式散熱裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中,下半部分為雷達大功率關(guān)節(jié),被動式散熱裝置直接外掛在關(guān)節(jié)上端。該裝置內(nèi)部密封有冷卻液,通過液體氣化的方式將關(guān)節(jié)熱量持續(xù)導出,導出后的熱量從熱端向冷端的傳遞是靠工作流體的沸騰與凝結(jié)來完成的,二者都是換熱強度很高的熱傳遞方式,溫差小,熱阻低。

圖2 被動式散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Passive cooling device structure diagram

2 散熱裝置設(shè)計原理

2.1 內(nèi)部導熱原理

內(nèi)部導熱原理如圖3所示。圖3中,整個散熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個區(qū)：內(nèi)芯發(fā)熱區(qū)、儲液區(qū)、散熱區(qū)。冷卻液充滿內(nèi)芯發(fā)熱區(qū)及部分儲液區(qū),散熱區(qū)位于儲液區(qū)上方。關(guān)節(jié)內(nèi)芯產(chǎn)生的熱量將散熱器內(nèi)芯區(qū)的冷凝水沸騰、揮發(fā),氣態(tài)的冷卻液到達散熱器上方碰壁后冷卻,經(jīng)過冷凝再通過散熱器內(nèi)壁回流到儲液區(qū)。形成了儲液區(qū)和內(nèi)芯發(fā)熱區(qū)的液面高度差,在高度差的作用下,儲液區(qū)液體通過內(nèi)芯導管側(cè)開口回流到內(nèi)芯發(fā)熱區(qū),形成了散熱裝置內(nèi)部液-氣-液的循環(huán),通過產(chǎn)生大量的汽化熱將關(guān)節(jié)內(nèi)芯熱量傳遞到散熱器殼體上。

圖3 內(nèi)部導熱原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of internal heat conduction principle

本文冷卻液選用液態(tài)水。在散熱裝置內(nèi)部,內(nèi)芯發(fā)熱區(qū)的液體汽化時吸收的熱量和散熱區(qū)液化時放出的熱量相等[2-3],表示為

mL+m(t2-t0)c0=(m0c0+m1c1)(t0-t1)

(1)

(1)式中：m為水蒸氣的質(zhì)量,單位為g;L為水蒸氣的汽化熱,單位為J/kg;m0為冷水的質(zhì)量,單位為g;t1為冷水溫度,單位為℃;t2為蒸汽溫度,單位為℃;t0為蒸汽進入冷水混合后水的溫度,單位為℃;c0為水的比熱容,單位為J/(kg·℃);m1為鋁筒即散熱裝置外殼的總質(zhì)量,單位為g;c1為鋁的比熱容,單位為J/(kg·℃)。將一定溫度的水蒸氣通入一定質(zhì)量的冷水中,測定冷水溫度及質(zhì)量的變化即可計算出水的汽化熱,可得

L=(m0c0+m1c1)(t0-t1)/m-(t2-t0)c0

(2)

2.2 內(nèi)芯管絕熱

為了讓液體更好地交替蒸發(fā)和冷凝,帶走熱量,本文對內(nèi)芯管的結(jié)構(gòu)進行了特殊設(shè)計,內(nèi)芯管結(jié)構(gòu)如圖4所示。內(nèi)芯管外殼因為直接接觸熱源,將關(guān)節(jié)內(nèi)芯產(chǎn)生的熱量直接傳遞給散熱裝置內(nèi)芯管中的液體,使液體沸騰后從蒸發(fā)口蒸發(fā)出去,因此外殼應(yīng)選用利于熱傳導的材質(zhì)制成。本設(shè)計內(nèi)芯管的外管采用導熱系數(shù)為100 W/(m℃)的銅管。冷卻后的液體通過內(nèi)芯管外側(cè)的小口,回流到內(nèi)芯管的中心管內(nèi),為避免中心管內(nèi)回流的冷卻液體與內(nèi)芯管里已經(jīng)加熱的液體同時沸騰,中心管理論上應(yīng)進行絕熱處理,為便于實現(xiàn),本設(shè)計中心管采用導熱系數(shù)為13 W/(m℃)的不銹鋼管制成。

圖4 內(nèi)芯管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of inner core tube structure

2.3 煙囪抽風效應(yīng)

本文在散熱殼體內(nèi)部交錯緊密放置了6個上下貫通到散熱體外殼的圓形散熱柱,該散熱柱由硬鋁一體加工而成。散熱體內(nèi)部剖面如圖5所示。

圖5 散熱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the internal structure of the heat dissipation body

從圖5可以看出,6個散熱柱將內(nèi)芯管出口包圍,這種排布方式更利于熱量的交換。每個圓形散熱柱上均分布著17個圓形散熱薄片,其外觀如圖6所示。經(jīng)計算,該散熱柱將散熱體內(nèi)表面積從542.5 cm2增加到了2 330 cm2,大大增加了散熱體內(nèi)腔的散熱面積,更有利于氣體的液化冷卻。

圓形散熱柱內(nèi)部設(shè)計成帶有縱向翅片的上下貫通的縱向結(jié)構(gòu),其俯視圖如圖7所示。該結(jié)構(gòu)類似于煙囪結(jié)構(gòu)設(shè)計。煙囪效應(yīng)即為在狹長高聳的、四周圍起來上下貫通的、有豎向通風風道的結(jié)構(gòu)中,由于空氣溫度差造成了密度差,空氣在密度差的作用下沿著通道很快進行擴散的現(xiàn)象[4-5]。

圖7 圓形散熱柱俯視圖Fig.7 Top view of cylindrical cooling column

2.4 溫差發(fā)電驅(qū)動風扇

自1834年法國物理學家Peltier發(fā)現(xiàn)帕爾帖效應(yīng)[6]至今,半導體制冷技術(shù)得到了長遠發(fā)展,憑借其綠色環(huán)保、安全可靠、使用便捷等優(yōu)點,現(xiàn)已成功應(yīng)用于電子、軍事、醫(yī)藥等領(lǐng)域,成為未來制冷技術(shù)發(fā)展的重要方向[7-8]。對于半導體制冷材料而言,其自身存在與帕爾貼效應(yīng)工作過程相反的Seebeck效應(yīng)[9],即溫差發(fā)電效應(yīng)。半導體溫差發(fā)電是利用Seebeck效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的固體狀態(tài)能量轉(zhuǎn)化方式。發(fā)電裝置無機械運動和化學反應(yīng),無噪聲、無污染、無磨損、壽命長,它的核心部件是半導體溫差電偶模塊,即半導體制冷片[10](thermo electric cooler,TEC)。

溫差發(fā)電原理如圖8所示。由半導體熱電材料制成的長方體顆粒狀的 p型和 n型電偶臂,通過導銅片連接起來,工作在高溫熱端和低溫冷端間,當冷熱端有溫度差時,就有電壓產(chǎn)生,相當于一個輸出電源。電流的方向是 n型中電子由熱端流向冷端,p型中空穴由熱端流向冷端[11-13]。

圖8 溫差發(fā)電原理Fig.8 Principle of thermoelectricity generation

基于成本及易獲取性考慮,本設(shè)計的TEC片選取TEC1-12706型號。市場上的TEC片主要是用來制冷的,所給參數(shù)都是基于制冷性能的。本研究將TEC片反向應(yīng)用,利用TEC片冷熱兩面有溫度差時會產(chǎn)生一個電壓,相當于一個輸出電源[14]這一特性,進一步提升整個散熱體的散熱性能。因此,需要通過實驗測量得到TEC片的具體參數(shù),具體測試電路設(shè)計如圖9所示。

圖9 TEC片測試電路Fig.9 Chip test circuit

將TEC片放置在加熱平臺和冷板之間,加熱平臺設(shè)置恒溫80 ℃,冷板外接水循環(huán)系統(tǒng),水保持恒溫20 ℃,加熱平臺和冷板同時工作,將TEC片與電流表和滑動變阻器串聯(lián),滑動變阻器并聯(lián)電壓表,通過實驗可以得到單片TEC板的實際發(fā)電電壓,具體測試結(jié)果如表1所示。通過改變滑動變阻器的阻值,根據(jù)公式P=U2/R,計算可得每個TEC片實際功率值。

表1 多片TEC板實測平均性能表Tab.1 Average measured performance of multiple TEC plates

由表1可知,只要電路設(shè)計合理,單片TEC電路可以產(chǎn)生的最大功率是0.1 W。得到單片TEC可產(chǎn)生的功率值,對選取風扇型號意義重大。散熱體外殼設(shè)計成正六邊形結(jié)構(gòu)。每個面上貼2片TEC片,TEC片另一面外貼鋁制散熱片,TEC片安裝如圖10所示。為了模擬關(guān)節(jié)發(fā)熱情況,設(shè)計的發(fā)熱裝置如圖11所示。8個孔內(nèi)每個放置50 W電阻芯,根據(jù)實際需求通過3個插座引出,可以實現(xiàn)分別連接1、2、3個電阻芯,分別產(chǎn)生50、100、150 W的功率。

圖10 TEC片安裝示意圖Fig.10 TEC plate installation instruction

圖11 發(fā)熱裝置實物圖Fig.11 Physical picture of heating device

3 實物圖及分析

由(1)—(2)式可得水的汽化熱是2.26×106J/(kg·℃)。大功率關(guān)節(jié)在250 W工作狀態(tài)下工作1 h,產(chǎn)生的熱量及實際注入水量可通過(3)—(4)式計算。

W=PrT

(3)

G=W/L

(4)

(3)—(4)式中：Pr為關(guān)節(jié)的實際功率,單位為W;T為時間,單位為s;L為水的汽化熱。實驗中,由(3)式計算出大功率關(guān)節(jié)產(chǎn)生約900 kJ熱量;由(4)式計算出1 h蒸發(fā)約390 g水用來導熱。因為水在散熱殼體內(nèi)部是液-氣-液循環(huán)的,所以給散熱殼體內(nèi)實際注入水量大約390 g。

將發(fā)熱裝置開啟至250 W,散熱體內(nèi)部溫度開始上升,內(nèi)芯管處沸騰的液體從蒸發(fā)口蒸發(fā),蒸汽將熱量傳導給散熱體內(nèi)表面后冷凝。散熱體內(nèi)殼溫度逐漸上升,TEC片感知到了正反兩面的溫度差,內(nèi)部開始產(chǎn)生溫差電壓。溫差電壓隨著兩面溫度差增大而逐步增大。將散熱體3個面上的TEC片,共計6片串聯(lián),理論上可得0.6 W的功率。串聯(lián)的6片TEC連接一個額定電壓為5 V、額定電流為0.1 A的風扇,風扇外掛安裝在最外層散熱片的下方。隨著散熱體內(nèi)部溫度的進一步升高,液體持續(xù)氣化,TEC片產(chǎn)生的溫差電壓接近峰值,風扇開始自啟動,吹向散熱片,整個系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡狀態(tài),此時散熱體裝置可持續(xù)穩(wěn)定地工作在250 W。最終散熱裝置外形尺寸直徑為205 mm,高170 mm,其實物如圖12所示。圖13為傳統(tǒng)水冷散熱現(xiàn)場。對比圖12與圖13可以看出,本文被動散熱裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小且設(shè)備數(shù)量大大減少。

圖12 散熱裝置實物圖Fig.12 Physical picture of heat dissipation device

圖13 傳統(tǒng)水冷散熱現(xiàn)場圖Fig.13 Traditional water cooling cooling field diagram

4 結(jié)束語

無論是與傳統(tǒng)工程上應(yīng)用的外接水冷機、水箱、水泵式液冷循環(huán)散熱方式相比,還是與風扇吹向散熱片的風冷方式相比,本文被動式散熱裝置完全可以達到液冷級別甚至更高的散熱能力,并且無須外接電源、無噪聲、可靠性高。導熱接口稍作改動后,也可應(yīng)用到其他散熱場景中。本文研制的被動式散熱裝置目前可持續(xù)穩(wěn)定地帶走大功率旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)250 W/cm2所產(chǎn)生的熱量。后續(xù)將對此技術(shù)進一步攻關(guān),實現(xiàn)更大功率的被動散熱,并將此技術(shù)產(chǎn)品化。