基于ICEPAK的雷達發(fā)射機熱設(shè)計研究

秦海波，吳軍榮，戴 燕

(1.皖西學院 實驗實訓教學管理部，安徽 六安 237012； 2.皖西學院 機械與車輛工程學院，安徽 六安 237012；3.合肥應識防務(wù)科技有限公司，安徽 合肥 230001 )

隨著系統(tǒng)級封裝集成度、功率器件的熱耗及熱流密度的不斷提高，組件的熱耗不斷升高[1-4]。對于機動性雷達陣面冷卻來說，考慮到其陣面環(huán)控部件和結(jié)構(gòu)集成性要求較高，同時有防塵、防潮、防腐要求，傳統(tǒng)風冷技術(shù)無法滿足，因此現(xiàn)代雷達天線陣面發(fā)射機基本都采用液冷方式[5]。

某高機動雷達天線陣面的電子設(shè)備功耗大、集成度高[6]，從液冷系統(tǒng)建設(shè)成本、能效比以及使用維護的便捷性等方面綜合考慮，液冷系統(tǒng)宜采用集中式液冷方案，即通過安裝在天線車平臺上的液冷機組所提供的冷卻液經(jīng)閥門分配流量后通過水鉸鏈進入冷卻液分配器，分配器分出多個支路并聯(lián)接入陣面發(fā)射機的負載，冷卻液流經(jīng)冷板完成對負載冷卻后再經(jīng)支路并聯(lián)接入冷卻液合成器，合成器內(nèi)的冷卻液通過水鉸鏈進入二次換熱系統(tǒng)進行降溫，并經(jīng)增壓泵站進行循環(huán)增壓后再次進入液冷管網(wǎng)完成循環(huán)。

液冷源二次冷卻采用常規(guī)散熱器換熱方式。常規(guī)散熱器由純結(jié)構(gòu)件散熱器和風機組成，冷卻液直接進入散熱器與外界大氣熱交換完成冷卻[7]。

1 某天線陣面的環(huán)控設(shè)計

天線陣面的環(huán)控設(shè)計主要是針對功放組件、收發(fā)組件和AC/DC電源的散熱進行設(shè)計。根據(jù)雷達陣面發(fā)射功率和效率，各功率單元的熱耗統(tǒng)計如表1所示。

表1 雷達陣面各功率單元熱耗統(tǒng)計

1.1 主要技術(shù)指標要求

功率管管殼溫度≤80 ℃，AC/DC電源管殼溫度≤80 ℃。

1.2 功放組件的冷板設(shè)計

功放組件是整個高頻背箱內(nèi)熱流密度和發(fā)熱量最大的器件，同時數(shù)量最多，因此功放組件的冷板是關(guān)鍵核心部件，既關(guān)系到發(fā)熱設(shè)備的高溫工作可靠性，又是液冷機組和流體管網(wǎng)系統(tǒng)的供液量、壓力分配一致性等內(nèi)部指標的設(shè)計依據(jù)。功放組件主要熱耗器件如表2所示。功放組件主要器件熱耗分布總功為502.8W。結(jié)合設(shè)備的發(fā)熱量、熱流密度及具體的結(jié)構(gòu)形式，功放組件冷板的流道采用并聯(lián)方式，以提高散熱效率。流道在組件內(nèi)部的具體設(shè)計如圖1所示。

表2 功放組件主要器件熱耗分布

圖1 功放組件流道布局

利用環(huán)形流道對熱耗大的模塊集中散熱，

(1)單個功放組件流量

根據(jù)能量平衡方程

Φ=qmcp△T

(1)

式中：Φ為熱流量；qm為質(zhì)量流量；cp為質(zhì)量定壓熱容；△T為冷卻液進出口溫度差。

鑒于雷達惡劣的工作環(huán)境，將初始溫度設(shè)為50 ℃，進出口溫差為△T=5 ℃，需要冷卻設(shè)備總發(fā)熱量為502.8 W，則qm=0.035 kg/s。根據(jù)質(zhì)量流量公式：

qm=ρνA

(2)

式中：ρ為冷卻液密度；ν為冷卻液進口速度；A為總進水管截面積。

(2)功放組件流道仿真

計算模型及條件：冷卻介質(zhì)采用常用的65號冷卻液，供液溫度按照最惡劣的環(huán)境溫度進行計算，取為58℃。前級功放模塊、末級功放模塊以及2 500 W隔離器與冷板的接觸熱阻取為0.5 ℃·cm2/W，功率管與襯銅塊焊接，接觸熱阻可以忽略不計。冷板厚度為11 mm ，水道高度取5.5 mm，水道寬度的變化依次為6 mm、4 mm、2.5 mm，合成時相反。初步設(shè)定冷卻液進口速度取為0.944 m/s，此時冷板內(nèi)各發(fā)熱器件的溫度分布如圖2所示。4只末級功率管最高溫度超出了80℃，不符合許用溫度要求。因此，冷卻液進口流量需要增加。當冷卻液的流量為2 L/min，各發(fā)熱器件的溫度分布如圖3所示。

4只末級功率管溫度分別為76.8 ℃、77.4 ℃、78.0 ℃、78.4 ℃，不一致性不超過1.5 ℃。前級功率管和隔離器的溫度分別為67 ℃和64.5 ℃，滿足指標要求。流道內(nèi)流體的溫度分布情況如圖4所示，冷卻液出口溫度大約為63 ℃左右，溫升5 ℃左右。冷板流道內(nèi)壓力分析如圖5所示。由圖5可知，冷板內(nèi)流體的壓力損失大約為3 bar。

圖2 冷板發(fā)熱器件溫度分布

圖3 各發(fā)熱器件溫度分布

圖4 流道內(nèi)流體的溫度分布

圖5 冷板流道內(nèi)壓力分布

為方便功放組件在天線陣面上能快速安裝、拆卸和維修，組件采用了自密封快速接頭，按設(shè)計流量需求選擇通徑5 mm、法蘭接口式的自密封快速接頭，既保證了快速連接，又降低了液體泄漏的可能。單付快接在溫度20 ℃下流動阻力約為0.3 bar，在-40 ℃低溫下流動阻力約為1 bar。

鑒于功放組件冷卻指標要求和液冷板的詳細設(shè)計與仿真結(jié)果，冷板設(shè)計需要液冷系統(tǒng)滿足以下要求：單個末級組件的設(shè)計額定流量為2 L/min；常溫下末級組件的額定壓力損失為0.3 bar；末級組件冷板的供回液采用通徑為5 mm的自密封快速接頭完成。

2 流體管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)大型流體管網(wǎng)系統(tǒng)的高精度分配原理和類似產(chǎn)品研制經(jīng)驗，結(jié)合雷達系統(tǒng)功率組件布置特點，確定采用二級管網(wǎng)系統(tǒng)，以壓損補償模型來解決高精流量分配?；诠β试O(shè)備的高頻背箱內(nèi)布局及其安裝與維修的要求，具體設(shè)計為：一級管路將冷卻液輸送到高頻箱內(nèi)的分配器，依據(jù)需要分出57路二級管路，就近進入各發(fā)熱單元，57路二級管路流體經(jīng)過各發(fā)熱單元后再匯集到合成器，最后從合成器輸送到制冷單元。功率模塊與AC/DC電源的功耗不同，發(fā)熱器件的熱流密度不同，流道路徑也完全不同，在確保滿足熱設(shè)計要求的條件下，依據(jù)流道的熱分析計算，選擇不同通徑的二級管路分別進入功率模塊與AC/DC電源，同時利用熱分析軟件，調(diào)整流道的阻力，確保功率模塊與AC/DC電源流阻相同(設(shè)定的流量點)。整個管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)調(diào)試容易、維修方便。高頻背箱內(nèi)流量輸配管網(wǎng)原理圖如圖6所示。液冷管路系統(tǒng)通徑及材料：液冷管路包含4部分:分別是主管路、連接水鉸鏈的波紋管、分配器(合成器)和連接冷板的軟管。

圖6 發(fā)射機管網(wǎng)結(jié)構(gòu)布局

3 結(jié) 語

通過對某型號雷達的發(fā)射機液冷設(shè)計計算，得到設(shè)備最佳冷卻方式，解決了雷達發(fā)射機熱耗大，散熱空間有限的問題。經(jīng)過仿真計算表明：在最惡劣的環(huán)境條件下，利用局部蛇形液冷流道能夠有效降低電子設(shè)備殼體溫度，滿足允許溫度要求。