有源相控阵雷达T/R组件的液冷板设计

陈苏蓉

根据某特定的有源相控阵雷达T/R组件工作时温度较高的状况，设计了液冷板流道，并对其进行校核计算，对比仿真结果和计算结果，冷板起到了冷却作用，保证了雷达的正常工作。

【关键词】T/R组件 冷板计算 仿真

1 引言

随着电子技术的高速发展，电子元器件的尺寸越来越小，芯片的集成化程度越来越高，导致雷达阵面的热耗以及局部热流密度升高。T/R组件作为相控雷达的核心电子元器件热耗急剧增长，局部热流密度将超过150W/cm2。T/R组件有其工作温度的上限，任何设计制作精良的电子设备如果在过热环境中长期工作，将会面临工作失效。由于有源相控阵雷达T/R组件的幅相特性和接受增益均受到温度的影响，因此对T/R组件进行良好的热设计，将组件工作时产生的热量快速带走，将其工作温度控制在允许温度范围内，对提高有源相控阵雷达的可靠性具有重要意义。

Lawrence R.Whicker[1]使用液体冷却系统对THAAD雷达进行散热。Kurina[2]提出八種流道类型的液冷板，并利用实验进行分析，最终得出螺旋形流道冷板均温性更强。Tran等[3]对结构为500mmx210mm的矩形流道的压降进行了分析计算，并对比实验与仿真结果，验证其准确性。徐尚龙等[4]提出了螺旋形结构、平行结构、树状结构以及网络结构四种流道形式，利用热流耦合计算分析了不同流道对冷板散热的影响。张割等[5]以矩形流道冷板作为研究对象，通过分析冷板进出口压差和换热系数，得到基板厚度、高度和宽度是影响紧凑型窄缝冷板换热性能的重要因素。利用优化软件得到冷板最小压损情况下的最佳换热性能参数。

2 液冷板计算

2.1 液冷板冷却性能分析

鉴于T/R组件发热量不同，在进行校核计算时去热流密度最大的组件chip7作为计算对象，假若组件chip7温升没有超过允许温度，则流道证明设计合理。T/R组件chip7表面最高温升主要分为：冷却液与流道固体壁面之间对流换热温升△T1；组件与冷板安装面与流道固体壁面热传导温升△T2；组件与冷板之间接触热阻引起的温升△T3；流道内表面与流道内部冷却液循环液流的温升△T4。组件最高结温为：。

（1）冷却液的定性温度

（2）冷却液与流道固体壁面之间对流换热温升

空气强迫对流换热表面传热系数与流体的流动性有关，需要判断流体流动属于湍流还是层流后，所以首先需要求流体的雷诺数。流道内冷却液流速v=1.39m/s；流道的当量直径De=4.8x10-3m；Re=4347.03，此事冷却液流动状态处于过度状态流动。

（3）组件与冷板安装面与流道固体壁面热传导温升

（4）组件与冷板之间接触热阻引起的温升

（5）流道内表面与流道内部冷却液循环液流的温升

组件最高结温Tmax=66.025℃。根据理论计算，液冷板能将组件的表面温度降低到66.025℃左右，该液冷板能满足降低T/R组件温度的需求。

2.2 液冷板出口压降分析

冷却液通过流道后的压力损失与其流动状态、冷却液在流道内的流速、流道固体壁面的粗糙度、冷却液流动方向以及流道截面突变程度等因素相关。利用哈根一波依塞利方程来计算液冷板出口压降损失：

3 仿真计算及分析

本文涉及的液冷冷板主要针特定的T/R组件进行降温散热，液冷板材料选择导热性能较好的铝。一般来说，水是最具有经济效益的冷却剂，但是考虑到其使用范围的特殊性，采用乙二醇水溶液，流量为2L/min，温度为40℃。液冷板的流道采用成易于加工成型的矩形结构，流道布置在热源的正下方。流道及冷板结构参数如表1所示。

3.1 网格划分及边界条件设置

利用SOLIDWORKS将液冷板及T/R组件保存为IGS格式输出并将其导入ICEPAK中，在一定程度上来说既保证了模型的完整性，也大大缩短了在仿真软件中的建模时间。为了减少影响因素，将冷板上的安装孔、圆角等进行修正。在ICEPAK中建立的仿真模型如图1、2所示。ICEPAK采用FLUENT计算流体力学（CFD）求解引擎，它应用的是有限体积法支持并算法，对结构化、非结构化网格都能进行快速求解。在迭代的过程中，各物理量的残差值达到收敛标准，将判定计算收敛。

根据流固耦合、热固耦合传热分析求解，需要对边界条件进行定义。材料参数：T/R组件属性为Block，导热率为20W/（m·K）；液冷板属性为Solid Block，材料为铝合金，密度为2707kg/m3，导热率177W/m·K；流体为50%乙二醇水溶液，，密度为1062kg/m3、比热容3420J/kg·K、传导率0.4W/m·K，进口温度为50℃；重力参数：冷板水平放置，其流动不受重力影响，重力开关关闭。

3.2 结果分析

图3中整个液冷板上最高温集中在下方4个组件上，表面最高温为65℃，与理论计算结果66.025℃相差1.025℃，误差值为0.016，8个组件之间最大温差为7℃，综上所述，仿真计算结果具有可参考性。流道内冷却液温度分布云图见图4。图4中可以明显看出，冷却液进口温度最低，随着经过T/R组件的数量越来，带走的热量越多，冷却液温度也随之升高，冷板上半部分冷却效果较好。

根据图5流道截面压力云图，流道入口处压力最大，随着流道的延伸，压力值不断降低，每遇到一个90°拐角压力值骤降。根据数据显示，液冷板进出口压差为0.126MPa，与理论计算值相差0.03MPa，误差值为0.24。

根据图6、7所示，流道中红色部分为冷却液流速较快区域，主要分布在每一次流道的拐角处，流道拐角外侧速度最快，流道中轴线处流速相对稳定。出现此现象的原因是，流道拐角处能量交换频率加快紊流效果增强，由此可见在流道中增加一定数量的拐角，可以增强换热性能。

4 本章小结

本章首先对有源相控阵雷达T/R组件冷却方式进行了简单分析，对比强迫风冷的冷却效果，提出强迫液冷的散热方案。根据具体的T/R组件分布，设计了一种流道，并对其进行理论计算，利用仿真技术对其进行温度场、压力场及速度场分析。对比仿真结果和理论结果相符，验证了仿真软件的可靠性。

参考文献

[1]Javier A.Narvaez，Hugh Thornburg，Markus P.Rumpfkeil， et al.Computational modeling of a microchannel cold plate：Pressure，velocity，and temperature profiles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，78：90-98.

[2]Jundika C.Kurniaa，Agus P.Sasmitoa， Arun S.Mujumdar，Numerical investigation of laminar heat transfer performance of various cooling channel designs[J].Applied Thermal Engineering 2008（28）：1101-1107.

[3]Ngoctan Tran，Chunping Zhang， ThanhtrungDang，Jyh-tong Teng， Numerical and experimental studies on pressure drop and performance index of an aluminum microchannel heat sink[C].2012 International Symposium on Computer，Consumer and Control，2012：252-257.

[4]徐尚龍，秦杰，胡广新.芯片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究[J].中国机械工程，2011（23）：2863-2867.

[5]张割，问建.密集型窄缝矩形通道冷板的结构优化[J].机械制造，2012（11）：14-17.

作者单位

江苏科技大学能源与动力工程学院 江苏省镇江市 212003