雷达关节的被动散热方法研究

罗晓宇,洪 玮,习 磊

(1.中国电子科技集团公司第三十九研究所,西安 710065;2.陕西省天线与控制技术重点实验室,西安 710065)

0 引 言

大型天线雷达系统中会使用各种大功率关节器件,这些器件产生的热量要及时排出,否则会导致天线性能下降甚至系统瘫痪,合理有效的散热技术是保证整个系统稳定运行的关键。目前,大功率关节器件常用的散热方法有自然散热、风冷、液冷等。风冷的设计方案是给发热器件固定散热片,热量以传导的方式传递到散热片上,冷风经过散热片时带走热量实现热交换;液冷一般是将冷却液流道设计在靠近发热设备最近的冷板内,通过冷却液的流动带走热量。这两种散热都需要外接电源,属于主动散热。

图1是某天线雷达工程中,使用的一种大功率同轴关节,关节内芯及波导同轴转换处的场强值很高。通过实际的功率实验,测得大功率同轴关节内芯发热量可达250 W/cm2。这种关节局部温度高、面积小、单位面积热流密度超高,已经远远超过热管等器件的传导能力[1]。因此,必须采取额外的冷却干预手段,将关节产生的热量通过某种方式导出。本文利用被动散热理念,将风冷与液冷散热原理相结合,利用液体的汽化属性,设计了一个被动式散热装置,该装置无须外接电源、安全可靠,为后期电子设备散热设计提供了新的思路。

图1 关节场强示意Fig.1 Joint field strength indication

1 被动式散热装置工作原理

被动式散热装置结构如图2所示。图2中,下半部分为雷达大功率关节,被动式散热装置直接外挂在关节上端。该装置内部密封有冷却液,通过液体气化的方式将关节热量持续导出,导出后的热量从热端向冷端的传递是靠工作流体的沸腾与凝结来完成的,二者都是换热强度很高的热传递方式,温差小,热阻低。

图2 被动式散热装置结构示意图Fig.2 Passive cooling device structure diagram

2 散热装置设计原理

2.1 内部导热原理

内部导热原理如图3所示。图3中,整个散热装置内部结构分为3个区：内芯发热区、储液区、散热区。冷却液充满内芯发热区及部分储液区,散热区位于储液区上方。关节内芯产生的热量将散热器内芯区的冷凝水沸腾、挥发,气态的冷却液到达散热器上方碰壁后冷却,经过冷凝再通过散热器内壁回流到储液区。形成了储液区和内芯发热区的液面高度差,在高度差的作用下,储液区液体通过内芯导管侧开口回流到内芯发热区,形成了散热装置内部液-气-液的循环,通过产生大量的汽化热将关节内芯热量传递到散热器壳体上。

图3 内部导热原理示意图Fig.3 Schematic diagram of internal heat conduction principle

本文冷却液选用液态水。在散热装置内部,内芯发热区的液体汽化时吸收的热量和散热区液化时放出的热量相等[2-3],表示为

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

(1)

(1)式中：m为水蒸气的质量,单位为g;L为水蒸气的汽化热,单位为J/kg;m0为冷水的质量,单位为g;t1为冷水温度,单位为℃;t2为蒸汽温度,单位为℃;t0为蒸汽进入冷水混合后水的温度,单位为℃;c0为水的比热容,单位为J/(kg·℃);m1为铝筒即散热装置外壳的总质量,单位为g;c1为铝的比热容,单位为J/(kg·℃)。将一定温度的水蒸气通入一定质量的冷水中,测定冷水温度及质量的变化即可计算出水的汽化热,可得

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

(2)

2.2 内芯管绝热

为了让液体更好地交替蒸发和冷凝,带走热量,本文对内芯管的结构进行了特殊设计,内芯管结构如图4所示。内芯管外壳因为直接接触热源,将关节内芯产生的热量直接传递给散热装置内芯管中的液体,使液体沸腾后从蒸发口蒸发出去,因此外壳应选用利于热传导的材质制成。本设计内芯管的外管采用导热系数为100 W/(m℃)的铜管。冷却后的液体通过内芯管外侧的小口,回流到内芯管的中心管内,为避免中心管内回流的冷却液体与内芯管里已经加热的液体同时沸腾,中心管理论上应进行绝热处理,为便于实现,本设计中心管采用导热系数为13 W/(m℃)的不锈钢管制成。

图4 内芯管结构示意图Fig.4 Schematic diagram of inner core tube structure

2.3 烟囱抽风效应

本文在散热壳体内部交错紧密放置了6个上下贯通到散热体外壳的圆形散热柱,该散热柱由硬铝一体加工而成。散热体内部剖面如图5所示。

图5 散热体内部结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the internal structure of the heat dissipation body

从图5可以看出,6个散热柱将内芯管出口包围,这种排布方式更利于热量的交换。每个圆形散热柱上均分布着17个圆形散热薄片,其外观如图6所示。经计算,该散热柱将散热体内表面积从542.5 cm2增加到了2 330 cm2,大大增加了散热体内腔的散热面积,更有利于气体的液化冷却。

圆形散热柱内部设计成带有纵向翅片的上下贯通的纵向结构,其俯视图如图7所示。该结构类似于烟囱结构设计。烟囱效应即为在狭长高耸的、四周围起来上下贯通的、有竖向通风风道的结构中,由于空气温度差造成了密度差,空气在密度差的作用下沿着通道很快进行扩散的现象[4-5]。

图7 圆形散热柱俯视图Fig.7 Top view of cylindrical cooling column

2.4 温差发电驱动风扇

自1834年法国物理学家Peltier发现帕尔帖效应[6]至今,半导体制冷技术得到了长远发展,凭借其绿色环保、安全可靠、使用便捷等优点,现已成功应用于电子、军事、医药等领域,成为未来制冷技术发展的重要方向[7-8]。对于半导体制冷材料而言,其自身存在与帕尔贴效应工作过程相反的Seebeck效应[9],即温差发电效应。半导体温差发电是利用Seebeck效应直接将热能转化为电能的固体状态能量转化方式。发电装置无机械运动和化学反应,无噪声、无污染、无磨损、寿命长,它的核心部件是半导体温差电偶模块,即半导体制冷片[10](thermo electric cooler,TEC)。

温差发电原理如图8所示。由半导体热电材料制成的长方体颗粒状的 p型和 n型电偶臂,通过导铜片连接起来,工作在高温热端和低温冷端间,当冷热端有温度差时,就有电压产生,相当于一个输出电源。电流的方向是 n型中电子由热端流向冷端,p型中空穴由热端流向冷端[11-13]。

图8 温差发电原理Fig.8 Principle of thermoelectricity generation

基于成本及易获取性考虑,本设计的TEC片选取TEC1-12706型号。市场上的TEC片主要是用来制冷的,所给参数都是基于制冷性能的。本研究将TEC片反向应用,利用TEC片冷热两面有温度差时会产生一个电压,相当于一个输出电源[14]这一特性,进一步提升整个散热体的散热性能。因此,需要通过实验测量得到TEC片的具体参数,具体测试电路设计如图9所示。

图9 TEC片测试电路Fig.9 Chip test circuit

将TEC片放置在加热平台和冷板之间,加热平台设置恒温80 ℃,冷板外接水循环系统,水保持恒温20 ℃,加热平台和冷板同时工作,将TEC片与电流表和滑动变阻器串联,滑动变阻器并联电压表,通过实验可以得到单片TEC板的实际发电电压,具体测试结果如表1所示。通过改变滑动变阻器的阻值,根据公式P=U2/R,计算可得每个TEC片实际功率值。

表1 多片TEC板实测平均性能表Tab.1 Average measured performance of multiple TEC plates

由表1可知,只要电路设计合理,单片TEC电路可以产生的最大功率是0.1 W。得到单片TEC可产生的功率值,对选取风扇型号意义重大。散热体外壳设计成正六边形结构。每个面上贴2片TEC片,TEC片另一面外贴铝制散热片,TEC片安装如图10所示。为了模拟关节发热情况,设计的发热装置如图11所示。8个孔内每个放置50 W电阻芯,根据实际需求通过3个插座引出,可以实现分别连接1、2、3个电阻芯,分别产生50、100、150 W的功率。

图10 TEC片安装示意图Fig.10 TEC plate installation instruction

图11 发热装置实物图Fig.11 Physical picture of heating device

3 实物图及分析

由(1)—(2)式可得水的汽化热是2.26×106J/(kg·℃)。大功率关节在250 W工作状态下工作1 h,产生的热量及实际注入水量可通过(3)—(4)式计算。

W=PrT

(3)

G=W/L

(4)

(3)—(4)式中：Pr为关节的实际功率,单位为W;T为时间,单位为s;L为水的汽化热。实验中,由(3)式计算出大功率关节产生约900 kJ热量;由(4)式计算出1 h蒸发约390 g水用来导热。因为水在散热壳体内部是液-气-液循环的,所以给散热壳体内实际注入水量大约390 g。

将发热装置开启至250 W,散热体内部温度开始上升,内芯管处沸腾的液体从蒸发口蒸发,蒸汽将热量传导给散热体内表面后冷凝。散热体内壳温度逐渐上升,TEC片感知到了正反两面的温度差,内部开始产生温差电压。温差电压随着两面温度差增大而逐步增大。将散热体3个面上的TEC片,共计6片串联,理论上可得0.6 W的功率。串联的6片TEC连接一个额定电压为5 V、额定电流为0.1 A的风扇,风扇外挂安装在最外层散热片的下方。随着散热体内部温度的进一步升高,液体持续气化,TEC片产生的温差电压接近峰值,风扇开始自启动,吹向散热片,整个系统达到一个动态平衡状态,此时散热体装置可持续稳定地工作在250 W。最终散热装置外形尺寸直径为205 mm,高170 mm,其实物如图12所示。图13为传统水冷散热现场。对比图12与图13可以看出,本文被动散热装置结构简单、体积小且设备数量大大减少。

图12 散热装置实物图Fig.12 Physical picture of heat dissipation device

图13 传统水冷散热现场图Fig.13 Traditional water cooling cooling field diagram

4 结束语

无论是与传统工程上应用的外接水冷机、水箱、水泵式液冷循环散热方式相比,还是与风扇吹向散热片的风冷方式相比,本文被动式散热装置完全可以达到液冷级别甚至更高的散热能力,并且无须外接电源、无噪声、可靠性高。导热接口稍作改动后,也可应用到其他散热场景中。本文研制的被动式散热装置目前可持续稳定地带走大功率旋转关节250 W/cm2所产生的热量。后续将对此技术进一步攻关,实现更大功率的被动散热,并将此技术产品化。