DAM两相闭式热虹吸回路冷却系统实验研究

张根烜　王 璐　张先锋　洪大良

(中国电子科技集团公司第三十八研究所　合肥　230088)



DAM两相闭式热虹吸回路冷却系统实验研究

张根烜王 璐张先锋洪大良

(中国电子科技集团公司第三十八研究所合肥230088)

两相热虹吸回路由于较高的散热性能在高功率电子设备冷却领域有较好的应用前景。为了解决四通道数字阵列模块的冷却问题，本文设计了一套两相闭式热虹吸回路冷却系统样机并对系统启动特性、充液量和工作倾角对系统散热性能的影响进行了实验研究。研究结果表明，样机系统结构及散热性能满足指标要求，启动性能和工作性能良好。此外，该系统对热耗1600 W、局部热流密度接近100 W/cm2的组件的冷却效果良好。

热虹吸回路；冷却系统；电子设备；实验研究；R134a

两相闭式热虹吸回路技术作为重力热管技术的一种，一般在热虹吸回路循环中不采用毛细芯结构，工质在蒸发段吸收热源热量由液态变为气态后沿循环管路进入冷凝器，向二次冷源散热后变为液态，在重力作用下回到蒸发段，完成整个冷却循环。由于热虹吸循环可实现蒸发段和冷凝器的分置，传热效率高、结构较为简单，从而被认为在高效换热器、余热回收、电子设备冷却以及太阳能集热器等领域具有巨大的应用潜力[1-2]。因此，国内外学者针对两相流热虹吸回路技术从传热[3-4]、流动[5-6]、充液率[7]、工作倾角[8]、工质[9]和应用[10]等方面作了大量的理论和实验研究。

在对热虹吸技术进行充分研究的基础上，越来越多的学者也在开展热虹吸技术在电子设备冷却领域的应用研究。Khrustalve D等[11]设计并测试了一个两相闭式热虹吸回路系统用于电子器件散热的效果。研究结果显示，当模拟发热器件热流密度为70 W/cm2左右时，相对于冷却流体，其蒸发温度的温升大约为23 ℃。 Khodabandeh R等[12]设计并测试了一个用于热耗为104 W的CPU散热的两相闭式虹吸回路系统。研究结果显示，CPU的温度相对蒸发温度的温升能控制在20 ℃左右。周峰等[13-14]、韦帮远等[15]的研究则显示，两相闭式热虹吸回路系统用于电子设备舱和通信基站也有较好的散热效果。

虽然目前两相闭式热虹吸回路系统用于电子设备冷却的研究已经非常多，但是用于军用高功率组件冷却上的应用研究的报道还非常少。数字阵列模块(digital array module, DAM)是有源相控阵雷达阵面的主要功率模块，随着雷达威力和功能需求的日益提升和雷达功率元器件技术的快速发展，DAM的集成化、高功率和高热耗的特征日益明显，对高功率高效冷却技术的需求也愈发迫切[16]。

本文针对某型高热DAM的冷却问题，进行了两相闭式热虹吸回路技术的应用设计和样机性能测试，详细分析了冷凝器设计参数和系统充液量等对系统性能的影响，并开展系统启动特性分析等工作。

1　DAM冷却系统样机设计要求

针对某典型高热耗、高热流密度的四通道DAM的冷却问题，为提高其冷却系统布置的灵活性，基于两相闭式热虹吸回路技术设计形成一套可供DAM独立使用的冷却系统样机，满足DAM高可靠高效散热，冷却系统样机的主要技术指标如下：

1) 工作环境温度：-40～50 ℃；

2) 贮存温度：-50～60 ℃；

3) DAM总热耗≥1500 W，局部区域热流密度≥80 W/cm2；

4) DAM功放模块表面最高温度≤80 ℃；

5) 蒸发器厚度不超过10 mm；

6) 冷凝器尺寸不超过600 mm(长)×300 mm(宽) ×60 mm(厚)；

7) 重量≤8 kg。

2　热虹吸回路冷却系统样机设计

2.1 系统组成与原理

为兼顾DAM的实际冷却性能测试以及DAM与冷却系统集成设计的要求，热虹吸回路冷却系统样机采用独立的箱体结构，由样机箱体(含盖板、底板和风机)、DAM模拟件、热虹吸回路冷却系统组成，如图1所示。其中热虹吸回路系统安装于机箱内部，由蒸发器、冷凝器以及连接管路组成，冷凝器布置于蒸发器上方；DAM模拟件安装于热虹吸回路系统蒸发器，位于机箱下部，其结构参数、模拟热源参数与实际DAM保持一致。

图1　热虹吸回路冷却系统样机组成图Fig.1 The composition diagram of the prototyping of two phase thermosyphon cooling system

热虹吸回路冷却系统的工作原理为：基于两相流热虹吸机理，蒸发器内工质流经DAM模拟件吸热，发生相变完成一次冷却后，流向冷凝器，由机箱风机驱动空气流经冷凝器完成环境二次冷却，在重力作用下流向蒸发器，从而形成冷却循环。

本文中的工作倾角为热源的安装面与竖直面之间的夹角，图1中显示的位置代表的工作倾角为90°。

2.2 DAM模拟件设计

为真实模拟DAM最严苛工况下的冷却性能，DAM模拟件金属壳体的材料及结构参数与实际DAM保持一致，采用电加热管模拟高功率发热器件，采用薄膜加热器模拟低功率发热器件，并采用合理的热扩展和界面接触材料确保发热器件至热虹吸回路蒸发器的传热路径与真实DAM完全一致。高功率热源分为270 W和60 W两种，各4个，低功率发热器件总热耗约280 W，DAM模拟件总热耗约1600 W，270 W热源未经热扩展前局部热流密度约100 W/cm2。

2.3 热虹吸回路设计

热虹吸回路采用铝合金材料，内部工质选用低沸点工质R134a，蒸发器通过气管和液管与冷凝器相连，如图2所示。

1工质分配支管2蒸发器3气管4液管5冷凝器6充液管图2 热虹吸回路示意图Fig.2 The schematic diagram of two phase thermosyphon cooling system

根据DAM热源分布情况，蒸发器由4个蒸发模块并联而成，厚10 mm，蒸发器液态工质分配管路和气态工质集成管路直径分别为12.7 mm和25 mm，每个蒸发模块的分配支管直径均为8 mm，确保每个蒸发模块的工质分配均匀性，从而达到4个主要热源区的一致性散热，蒸发器组成如图3所示。

蒸发器与模拟热源之间通过高导热柔性衬垫相连，蒸发器模块焊接形成密闭腔体，可承受10 MPa以上的压力，蒸发器模块腔体内部采用微槽群结构，确保蒸发腔内部工质与底板热源区域的高热流密度高效一次冷却。

冷凝器采用平行流微通道换热器，保证热虹吸回路冷却系统的高效环境散热，冷凝器长600 mm，高300 mm，有多组平行的薄翅片和微通道换热板焊接形成。其结构参见图1中的冷凝器部分。对不同厚度微通道换热板的换热能力与空气侧流量进行分析对比，并开展冷凝器空气侧流量-压损特性与冷凝器配备风机流量-压损特性的匹配分析，最终选用宽度32 mm的微通道换热板，并配备3个高效轴流风机，冷凝器散热能力约2 kW，满足1.5 kW热耗DAM的环境散热要求，符合DAM热虹吸回路冷却系统冷凝器尺寸设计要求。

图3 蒸发器结构示意图Fig.3 The structural diagram of evaporator

3　样机性能测试

为保证并验证热虹吸回路冷却系统的冷却性能，首先针对对冷却性能影响较大的系统充液量和工作倾角进行影响性测试分析，其次针对样机的启动特性和高温环境下的冷却性能进行测试分析。所有温度测试结果均为模拟热源温度稳定后一段时间内多个时刻测点温度的平均值。

3.1充液量对系统性能的影响分析

充液量对蒸发区工作压力和系统循环驱动能力均存在影响，进而影响系统性能，是热虹吸回路循环系统的一个重要参数。理论上对应一种散热对象，热虹吸回路循环系统存在一个最佳的充液区间。在工作倾角为10°时，针对0.895 kg、0.935 kg、0.965 kg、1.01 kg、1.04 kg、1.08 kg、1.12 kg和1.17 kg等不同充液量条件下，开展样机系统冷却性能测试，270 W热源、60 W热源以及冷凝器进出口的温升测试结果如图4所示。

测试结果表明，在充液量小于1.01 kg时，随着充液量的提高，系统冷却性能提升明显，各热源温度不断下降，在充液量达到1.01 kg以后，各热源温度基本稳定，样机系统270 W模拟热源的最高温升约32 ℃。考虑到系统工作压力随充液量的增加而增大，为兼顾系统冷却性能和工作稳定性，确定本系统最佳充液量为1～1.01 kg，后续测试工作均基于1.01 kg的系统充液量进行。

图4 不同充液量下样机系统温度测试结果Fig.4 The test results of the prototyping with different liquid filling quantity

3.2 工作倾角对系统性能的影响分析

热虹吸回路是重力驱动的两相流系统，循环回路的工作倾角对系统性能影响很大。本文针对不同的工作倾角，测试样机系统的冷却性能。270 W热源、60 W热源的温升测试结果如图5所示。

图5 不同工作倾角下样机系统温度测试结果Fig.5 The test results of the prototyping with different working inclination angles

测试结果表明，工作倾角为15°时，最有利于系统两相流循环驱动，系统冷却性能最好，样机270 W热源的最高温升约30 ℃；当工作倾角小于5°或超过17.5°时，系统冷却性能较差，工作倾角小于5°时，对应270 W热源最高温升超过35 ℃。

3.3 系统启动特性分析

考虑到热虹吸回路系统的启动特性主要由蒸发区相变启动特性以及系统的两相流循环启动特性决定，因此，热源特性和工作倾角是对系统启动特性影响最大的两个因素，本文针对样机全状态模拟热耗1.5 kW、器件热流密度100 W/cm2的工况，在最不利于启动的0°和1°的工作倾角下，分析样机启动特性，启动过程中模拟热源的温度分布如图6和图7所示。

图6 样机系统0°工作倾角启动特性Fig.6 The starting characteristic of the prototyping when working inclination angles is 0 degrees

图7 样机系统1°工作倾角启动特性Fig.7 The starting characteristic of the prototyping when working inclination angles is 1 degrees

测试结果表明，样机在没有工作倾角的情况下，热虹吸系统工质循环难度大，系统启动特性较差，稳定时间超过10 min，启动过程中模拟热源最高瞬时温度超过稳态温度30 ℃以上，不满足启动阶段的系统冷却要求；样机在1°工作倾角下可以平稳启动，2 min内达到稳定状态，启动过程中模拟热源最高瞬时温度仅超过稳态温度2 ℃左右，满足启动阶段的系统冷却要求。

3.4 高温环境下系统性能分析

为了验证样机系统在极限高温环境温度的冷却性能，针对充液量为1.01 kg、15°工作倾角的样机系统，测试环境温度为50 ℃下各模拟热源的温度，验证高温环境下系统性能。

待各模拟热源(270 W和60 W两种)测点温度稳定后，取间隔10 s的5个连续温度测试值取均值作为热源稳态工作温度。测试结果表明，在50 ℃极限高温环境下，DAM模拟件中最左侧270 W模拟热源处表面温度最高，为77.4 ℃，相同类型模拟热源表面温度差异小于5 ℃，满足样机系统热控设计要求。

表1环境温度50 ℃下模拟热源温度测试结果

Tab.1The temperature of simulated heat sources when ambient temperature is 50 ℃

环境温度/℃270W模拟热源1/℃270W模拟热源1/℃270W模拟热源3/℃270W模拟热源4/℃5077.476.673.172.7

3.5 样机系统结构参数测试

热虹吸回路冷却系统质量为6.5 kg，蒸发器厚度为10 mm，冷凝器尺寸为600 mm(长)×300 mm(宽) ×32 mm(厚)，满足样机系统质量及尺寸要求。

4　结论

本文针对典型4通道高功率DAM的冷却问题，设计了一套紧凑型热虹吸回路冷却系统样机，并在充液量、工作倾角对系统冷却性能的影响以及系统启动特性等方面开展了实验研究。研究结果表明，本系统可以实现热耗1600 W、局部热流密度100 W/cm2的组件高效冷却，系统启动性能良好，最佳充液量为1～1.05 kg，最佳工作倾角为10°～17.5°。此外，本系统有进一步优化设计的潜力，可以实现更高热耗、更高热流密度的冷却能力，在高功率组件级冷却方面，尤其在实现组件分布式冷却方面有广阔的应用前景。

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Experimental Research on a Cooling System with Two Phase Closed Thermosyphon Loop for a DAM

Zhang GenxuanWang LuZhang XianfengHong Daliang

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei， 230088, China)

Two phase thermosyphon loop has a good potential of application in cooling of electronic equipment with high power source because of its relatively high efficiency of heat dissipation performance. To solve the cooling problem of a DAM with four channels, this paper designs a prototype of two phase closed thermosyphon cooling system. The starting characteristic of the system, the influence of the refrigerant charge and working inclination angle on its heat dissipation performance are investigated experimentally in this paper. The results show that the structure and heat dissipation performance of the system match the requirement. It also can be found that the starting characteristic and the working performance of the system are very good. In addition, a 1600 W module with local heat flux near 100 W/cm2is cooled very well by the system in this paper.

thermosyphon loop; cooling system; electronic equipment; experiment research; R134a

0253-4339(2016) 01-0090-05

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.01.090

国家安全重大基础研究项目(613164030102)资助项目。(The project was supported by National Security Major Basic Research Project of China( No. 613164030102).)

2015年4月26日

TK124；TB61+1

A

简介

张根烜， 男，博士，中国电子科技集团公司第三十八研究所，(0551)68591772， E-mail: zgxagen@ustc.edu。研究方向：雷达结构设计与环控设计。

About the corresponding authorZhang Genxuan, male, doctor, No. 38 Research Institute of CETC,+86 551-68591772, E-mail: zgxagen@ustc.edu. Research fields: the design of the structure and environment control of radar.