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(1)电子设备高热密度的发展趋势带来的挑战
电子设备的热密度不断升高,其原因是元器件和IC芯片的集成度提高,热密度升高,而同时电子设备的微型化和高功率的发展趋势,导致了电子设备热密度的不断升高[3]。
图12描述了电子设备芯片热密度的发展趋势,热密度从1997年的20w/cm2升高到2012年的120w/cm2,而且热密度呈现不断向上升高的趋势。
Intel创始人Moore博士曾预言:
电子装置的半导体晶体管的集成密度和产品性能每18个月翻一番[4]。
芯片的热密度也相应的按照正相关的规律上升,2008年,性能强大的微处理器功率达到10kw。
图12电子芯片的热密度发展趋势[5]
图13反映出电子设备热设计所面临的挑战:
要求机箱温度不断下降的需求和实际机箱温度不断上升的现实相矛盾。
当图中两直线相交时,摩尔定律不再有效,需要使用其他冷却方式(制冷)来提供负热阻,降低机箱内部环境温度,才能保证电子元器件的正常工作。
图13机箱实际和期望温度的变化趋势[6]
在一些军工项目中,由于发展高性能武器的需要,微波功率器件(T/R组件)的热密度更高。
美国海军预测的雷达T/R热密度在不久的将来有可能突破1000w/cm2,甚至达到8000w/cm2[7]。
一般地,热密度在102-103w/cm2称为高热密度,在103-104w/cm2称为超高热密度,大于104w/cm2则称为特高热密度。
电子设备要发展到如此高热密度水平,没有良好的热设计方案和先进的热设计技术,电子设备是不能正常运行起来的。
(2)电子设备苛刻的使用环境对热设计的要求
电子设备使用范围广泛,其使用的热环境变化很大,特别是航空航天和军用电子设备,环境温度极值大,温度变化大,例如,飞机设备舱的非工作环境温度范围是-57-95℃,工作环境温度范围为-57-71℃,在此环境下工作的电子设备会受到强烈地温度冲击。
如果没有良好的热设计方案,电子设备在这种苛刻的热环境下性能会极大地下降,而且不能可靠地工作,降低工作寿命。
(3)某些电子设备对均温性的严格要求
在一些特殊的军工或者航空航天应用中,不仅有着更高的热密度的要求,同时也对均温性有着严格的要求,比如相控阵雷达中要提高天线的性能,就要求精确控制的T/R组件的相位,而T/R组件的温度会影响其相位,因此要求T/R组件冷却时要有良好的均温性[8]。
阿尔法磁谱仪上,探测器在超导磁体的内部,共有200多个硅微条探测器以及分布在其周围的电路板,硅微条发热很小,但电路板总发热量为144w,冷却要求是保持硅微条温度范围为-10-25℃,每一个轨道周期的温度变化在3℃以内,各硅片之间的温差不大于1℃[9,10]。
对于这样的冷却要求,传统的热设计技术很难满足,需要研究新的热设计方法。
一.3电子设备热设计的方法
电子设备的冷却方法从传热机理上来说分为热传导、热对流、热辐射和制冷技术。
从传热手段来说可以分为自然冷却、强迫风冷、液冷、热管、热电制冷、两相流冷却等。
对于具体的冷却方法需要根据实际要求来选用,一般要考虑以下因素:
设备的热流密度、冷却系统的总功耗、能提供散热的表面积和体积、设备和元器件工作的允许温升、冷却剂类型、冷却剂流量和入口温度、环境温度及其它的特殊要求。
总之,尽量选择最简单、最有效的冷却方法。
其中温升和热流密度是选择冷却方法的关键因素,按温升和热流密度确定冷却方法见图14。
图14按温升和热密度选择冷却方法[11]
常用的热设计的方法及最新进展介绍如下:
一.3.1自然冷却
自然冷却[5](包括导热,自然对流和辐射换热)的优点是可靠性高、成本低。
缺点是冷却能力小,当电子设备的热流密度超过0.8w/cm2时,这种冷却方法就已经不能够解决冷却问题了。
一.3.2高效风冷技术
强迫风冷由于设计简单、使用方便以及成本低等优点得到了充分的发展。
但是由于空气比热容小,风速受到噪音的限制又不能太大,因此,强迫风冷冷却的热密度一般小于1.0w/cm2。
目前新型风冷技术有空气射流和翅片强化传热等。
空气射流冷却是通过改变流体流态来提高换热系数。
射流冷却时高速气流沿垂直传热表面方向喷射至传热表面,冲击处流体速度高、温度边界层薄、局部均温性较好,因此冷却效果好。
空气射流冷却的热流密度可以达到100w/cm2[12],空气射流示意图如图15。
图15空气射流示意图
风冷一般都会使用散热翅片,用来增加传热面积。
目前对于在翅片强化传热方面有汽室散热器和雾化室散热器两种先进的解决方案,其原理示意图分别见图16和图17。
汽室散热技术的原理为:
在一负压空腔内充有一定量的工作介质,液池内的液体受热沸腾蒸发,蒸汽在冷凝壁面上冷凝后沿壁面上的吸液芯回流到液池中,冷凝壁面的热量通过翅片散出去[13]。
汽室散热器能冷却的热密度可达80w/cm2。
雾化室散热器原理是采用振动诱发雾化腔室内的液体,雾化后的液滴具有较大的表面能,吸收热量并迅速汽化,蒸汽在壁面冷凝后沿壁面回流到液池中,冷凝壁面的热量通过翅片散出去[14]。
雾化室散热器能冷却的热密度可达200w/cm2。
图16气室散热器示意图
图17雾化室散热器示意图
一.3.3高效液冷技术
液冷可以分为直接液冷和间接液冷。
直接液冷还可以分为直接浸没冷却和直接强迫冷却。
直接液冷要求冷却剂和电子元器件相容,而且元器件能够承受由于液体的高介电常数和功率因素引起的寄生电容的增加和电气损失。
相对而言,间接液冷使用广泛,间接液冷一般采用冷板等形式,热量通过热传导的方式传递给冷板,冷却液再将冷板中的热量带走,冷板既作为传热表面,也用作安装表面。
它属于一种单相流间接冷却技术,可靠性较高、结构简单紧凑、表面传热系数高、温度梯度较小、热分布均匀、可带走较大的集中热负载。
普通的单相液冷式冷板的热密度可达4.65w/cm2。
强化液冷换热途径主要分两类,一类是提高单相工质对流换热系数如射流冲击、微通道等,另一类是采用相变换热技术获得更高的换热系数,如喷淋和两相流等。
液体射流和液体喷淋是强化液冷换热的两种方法,属于直接液冷。
液体射流冷却和空气射流冷却原理类似,都是利用流体冲击传热表面,其原理示意图见图18。
喷淋冷却是利用一种特殊的喷嘴将冷却工质雾化,然后冲击传热表面。
由于雾化后的液滴具有极大的表面能,接触到高温壁面后迅速发生相变传热,换热系数高。
液体喷淋原理示意图见图19。
液体喷淋和液体喷射冷却方法相似,但是喷淋需要较大的喷射压力,换热能力更高,换热系数更加均匀,见图110。
而射流冷却更适合于局部冷却。
图18液体射流冷却示意图
图19液体喷淋冷却示意图
图110喷淋和射流的换热系数分布
微小通道冷却技术[15,16],一般将其做成冷板的形式应用,属于间接液冷。
所谓微通道(micro-channels)在学术上是指流体通道的水力直径在几微米到几百微米的通道,小通道(mini-channels)的水力直径则是几毫米,在实际应用中,一般将微通道和小通道统称为微通道。
由传热学相关知识可知,微通道的对流换热系数与通道水力直径成反比,所以通道直径越小,理论上换热系数越大。
但是,由水力学知识可知,通道的阻力却与水力直径的平方成反比,所以冷板的通道越小,压降迅速增大。
目前单相微通道冷却技术已经实现400w/cm2左右的冷却能力,但是,面临着加工工艺复杂,通道出现汽塞等问题。
两相微通道冷却技术在实验室可以实现1000w/cm2左右的冷却能力,但是离工程化应用还有很长的路。
一.3.4热管及其衍生物
热管是使用广泛的传热方法,其工作原理如图111。
液体工质在蒸发段被热流加热蒸发,其蒸汽经过绝热段流向冷凝段。
在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热,冷凝为液体,吸液芯中的液体在毛细力的作用下返回到加热段再吸热蒸发,循环往复。
热管当量换热系数大,可达到2000-4000w/mk(大约是金属的20倍)。
热管本身不制冷,只是作为传热的媒介,因此实际应用时热管要配合其他的冷却方式(比如液冷)使用,将热量传至热沉。
图111热管的工作原理图
当前热管的发展主要朝小型化和其它应用形式更灵活的衍生物方向发展,其衍生物主要有毛细泵回路(CapillaryPumpedLoops,CPL)、环路热管(LoopHeatPipe,LHP)、脉动热管(PulsatingHeatPipe,PHP)。
一个毛细泵回路(CPL)至少包括一个蒸发器、一个冷凝器和一个用于存储工质的储液器以及连接各部件的蒸汽与液体管路[17]。
图112是CPL系统的结构示意图。
工作原理是蒸发器内液体工质受热蒸发,并在毛细芯的毛细管中形成汽液分界的弯月面。
由于毛细力的作用,汽液界面上产生的蒸汽通过蒸汽通道流入蒸汽管路,最后在冷凝器中冷凝成液体,热量通过冷凝器管壁传递到外部热沉。
在冷凝器中液体受毛细力的驱动,通过液体管路回流到蒸发器中。
蒸发器内液体工质再次吸热、蒸发、流动,循环往复,不断蒸发器内热量传输到远端的热沉。
蒸发器是CPL系统的能量接收器以及动力源。
储液罐在整个系统中起到储存液体、协助系统启动和精确控制系统工作温度的作用。
CPL通过蒸发器的并联[18,19],可以满足多热源,大功率的要求。
LHP系统的结构(见图113)和工作过程与CPL基本一致,蒸发器也是LHP系统的能量接收器以及动力源。
与CPL不同的是,LHP的储液罐与蒸发器直接连接在一起。
LHP与CPL在结构上的这种差异也决定了两者工作特性的不同,LHP蒸发器的工作温度不像CPL一样由储液罐设定温度来决定,而是依靠蒸发器与液体补偿器之间复杂的能量与质量的传递来维持平衡的。
图112CPL系统结构示意图
图113LHP系统结构示意图
脉动热管(PulsatingHeatPipe,PHP)是上世纪90年代年日本科学家Akachi利用了毛细管中自然形成液塞和汽塞原理发明的[20-22]。
脉动热管结构图如图114。
其基本工作原理是:
将管内抽成真空后充注部分工作介质,由于管径足够小,管内将形成气泡柱和液体柱间隔布置并呈随机分布的状态。
在蒸发端,工质吸热产生气泡,迅速膨胀和升压,推动工质流向低温冷凝端;
在冷凝端,气泡冷却收缩并破裂,压力下降。
蒸发端和冷凝端的压差和相邻管内的压力不平衡,使得工质在两端间振荡流动,在流动过程中,管内大量的气泡的无规则生成、膨胀和湮灭过程完成热量的传递。
小管径和冷热端反复的折弯是形成脉动热管的两个基本条件。
图114脉动热管的结构示意图
一.3.5制冷冷却
(1)热电制冷
热电制冷[23]又称作半导体制冷,是一种基于半导体“珀耳帖效应”的制冷方法,具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可控性强、温度控制精度高等特点,一般用于制冷负荷较小的情况,不太适合于系统级及大功率的冷却。
热电制冷技术的突出优点就是能够产生负热阻。
图115为一典型的热电制冷器。
图115热电制冷器
(2)压缩制冷
与热电制冷一样,压缩式制冷可以得到一个比环境(热沉)更低的温度。
压缩制冷发展成熟,使用广泛,是地面大型设备几乎唯一的末级冷却设备,用于提供系统所需的冷媒。
目前压缩式制冷存在着系统复杂、成本过高、压缩机安装困难、占用空间大等问题。
压缩式制冷系统的一个主要发展方向是系统小型化和微型化。
压缩式制冷技术与热电制冷技术和其它上述冷却技术有着本质的区别,其它冷却方式的能量都是从高热势的热源往低热势的热沉传递,而制冷技术可以借助机械功或电功将处于低热势的热源能量输运到高热势的热沉,也就是说,制冷技术是可以在热沉温度高于热源温度的情形下,冷却热源的一种技术。
一.3.6机械泵驱动的冷却系统
机械泵驱动的冷却系统有别于前面提到的几种冷却方式,主要体现在这种机械泵驱动的冷却系统是一种系统级的热管理概念[24],指从系统角度出发,对系统的热环境和子系统的热行为进行统一的调节,完成对热量的收集、传输、利用和排散。
不仅包括散热方面的,还要考虑系统的能耗、理化环境等,而不是单个器件的热设计方法。
机械泵驱动的冷却系统设计复杂,成本较高,一般只用在航天飞行器的冷却上,随着技术的成熟和实际的应用需求,这样的系统有可能进入民用领域。
下面将详细介绍机械泵驱动的冷却系统。
一.4机械泵驱动的冷却系统的国内外研究现状
机械泵驱动的冷却系统(MechanicalPumpCoolingLoop,MPCL),可以分为单相流和两相流系统,系统组成和CPL/LHP相似,主要部件包括机械泵、蒸发器、冷凝器、储液罐以及连接管道等几大部分,有的热控系统为了充分利用能量,还有换热器。
根据热管理系统的“热量收集-传输-利用-排散”的设计思路,MPCL系统的运行原理是系统本身不制冷,而是以热工质为载体在蒸发器端将热量收集,机械泵驱动工质,将热量在回路中传输,在换热器阶段进行利用,最后在冷凝器内将热量排散出去,达到了冷却系统的目的。
近年来,国外许多学者,特别是美国和俄罗斯的专家学者对MPCL做了大量的理论和实验研究。
俄罗斯航天中心和美国国家航空航天管理局(NASA)已经对此技术立项研究近10年的时间。
MasaoFurukawa等[25]对气液两相循环系统和子系统进行了综合计算和设计,并得出了一些经验公式和图表,提出了设计系统时系统流量、压力、泵的估算方法,为工程师提供了很大方便。
Holmes[26]等人为了设计自由号太空站热控系统,提出了机械泵驱动的热管冷却系统,以氨为工质,工质在传热表面通过毛细力驱动,大量的模拟实验验证了蒸发器和冷凝器的性能。
系统的均温性在热负载的热密度相差0-6w/cm2的情形下仍能保持较好的均温性,冷却系统稳定性高。
Fairuzov,YuriV和Bredikhin,VictorV.[27,28]研究了喷射泵驱动的两相流冷却系统。
喷射泵收集系统的废热,利用喷嘴结构泵送工质,系统没有运动部件,可以设计得很轻,可贵的是与其他泵相比,不容易产生气穴问题。
文献还建立了数学模型,分析了系统的运行性能和工作能力。
Birur,G.C.和P.Bhandari[29]对火星探测器上的机械泵驱动的单相流散热系统(HeatRejectionSystem,HRS)进行介绍,这是第一次HRS系统长时间应用在无人飞行器上,该系统在探测器从地球飞往火星的7个月的时间里,成功地完成了飞行器的热管理任务。
Park等[30,31]研究混合的两相回路冷却系统(HybridTwo-PhaseLoop,HTPL),HTPL由主动的机械泵和被动的毛细泵驱动冷却液,完成冷却工作,系统的原理如图116。
通过实验测试表明,这样的系统能够完成多热源,热源面积高至135cm2,热负载10kw,热流密度是30w/cm2的冷却工作。
在蒸发段热阻低至0.16°
C-cm²
/w,还有很大的冷却潜力。
由于采用了毛细结构,在蒸发器段,即使在高的瞬态热流和非对称热输入的情形下,也不需要主动的流量控制。
这样的冷却系统的能力在目前先进的热管,两相流等方案上有着很大的提高,有着很大的应用前景,将来可以应用于大功率固体激光器、射频武器、未来战斗机系统等。
图116混合系统冷却原理图[30]
Delil和Verlaat等[9,32,33]研究了AMS-02的热控系统(TrackerThermalControlSystem,TTCS),这种TTCS系统将是唯一一个用在航天飞行器上的机械泵驱动的两相流冷却系统。
该系统以CO2为工质,采用并行回路,每个回路包括一个冷凝器(各自与辐射换热器连接)、一个热交换器和一个分内外环的蒸发器,系统的原理图如图117。
图117AMS-02硅微条轨迹探测器的热控系统[32]
系统的工作原理和过程是机械泵驱动循环工质在蒸发器内吸收热量,经由流体回路输送至冷凝器,通过辐射换热器将热量辐射至太空。
为了避免在机械泵内造成气蚀,进而导致系统不稳定,机械泵入口处应该保持比蒸发器入口温度低5℃的过冷度。
为了使在蒸发器的工质以潜热方式吸热,发挥两相热控系统的优势,在机械泵出口和蒸发器入口之间,需安装一个换热器对过冷工质进行加热,保证在蒸发器入口处为饱和工质。
机械泵驱动两相热控系统与CPL/LHP系统一样,是通过对储液器的控制来实现对系统工况的控制。
储液器主要起到了补充工质在长期飞行过程中的泄露和实现回路温度控制的作用。
系统的热负载可达1000w,均温性好,系统的能耗低,并行蒸发器能够承受相差较大的热负载,可达100多倍。
我国对MPCL技术研究的文献较少,起步也较晚,但也取得了较大的进步。
上海交通大学的郭开华教授等和其博士生刘杰,中山大学的何振辉教授等和其博士生黄臻成等人对AMS-02热控系统做了实验研究和仿真分析,发表了十几篇论文,最终将其研究成果总结成两篇博士论文。
刘杰的实验研究主要包括系统的启动、工作点的控制以及稳态和瞬态的运行特性分析。
在系统的启动研究中发现[34-37],在机械泵启动过程中,系统的蒸发段将出现过热现象,在过热的亚稳态向两相态闪蒸的同时对系统产生力脉冲(系统绝对压力激增)和阻力脉冲(泵前后的压差激增)。
对MPCL系统工作点的温度控制方面的研究[38],发现采用半导体制冷片和主回路支路协同工作的方案能够将储液器的控温精度达到±
0.1℃。
在运行特性研究中[36,39],研究稳态运行和瞬态运行的工质散热及循环规律,寻找决定系统稳定性的影响因素。
系统具有较高的可靠性,当外界扰动发生时,系统通过自身调整很快进入稳定状态。
储液器的设计和系统工质的充灌量在很大程度上决定了系统的稳定程度。
黄臻成对TTCS系统做了数值仿真分析[40],以SINDA/FLUINT为软件平台,对系统的温控做了深入分析,通过数值模拟,揭示了蒸发器、换热器、储液器和冷凝器等各个部件对目标温度控制所起的作用以及响应特点,并专门研究了并联冷凝器的因流量自分配而提高散热效果的自调节能力,分析了进出口管长度、边界差异等对其流量调节能力的影响。
对于TTCS的实验和仿真研究,为我国研究机械泵驱动的两相流冷却系统做了经验积累,对于今后的类似研究有较大的指导意义。
一.5课题的研究内容、研究方法和章节安排
循环驱动的两相流冷却技术实验研究是本课题的主要研究内容。
这种循环驱动的两相流冷却系统在国内是首次提出来的,本课题的研究目标是获取系统的性能参数,比如换热系数、最大热负载、均温性等,为深入研究奠定了基础。
研究方法是在初步实验方案中研究不同充灌率下系统的启动和运行性能,通过分析实验数据得出系统的最佳充灌率,分析影响系统传热性能的因素,为改进实验方案做指导。
改进实验方案后,进一步研究系统的换热性能,分析优化后的实验结果,分析主要的性能指标,如均温性、热负载、当量换热系数等。
本论文的章节安排如下:
第一章介绍了热设计的重要性和必要性,以及常用的电子设备热设计方法,并对本课题的研究问题做了文献综述。
第二章主要介绍系统实验平台,包括MPCL系统主回路、热模拟模块、温度采集系统、抽真空模块、充灌液模块。
第三章介绍初步实验结果和分析结论,为优化实验方案做了基础。
第四章在分析初步实验结果的基础上优化实验方案设计,并进行实验研究,分析实验结果,总结相应的结论,为以后进一步研究做了基础。
第五章总结了本课题的实验结论,对今后的工作做了展望。
第二章MPCL系统实验平台研究
二.1实验平台总体方案
系统的原理如图21,在实验开始前,先将系统抽真空,然后充灌一定比例的工质,在顺时针循环中,机械泵驱动工质顺时针流动时,工质经过冷凝器1到达蒸发器,在蒸发器端热量通过单相传热和两相传热将热量带走,在蒸发器的出口处,会有一定比例(比例大小根据热负载不同而有所不同)的汽态工质,在经过冷凝器2,这些汽态工质被冷凝成液态释放出热量,当机械泵驱动工质逆时针循环时,冷却过程和顺时针类似,这样循环往复,不断的将蒸发器的热量,通过工质,传递到冷凝器处排散出去。
图21循环驱动的两相流冷却系统原理图
MPCL系统的实验平台根据循环驱动的两相流冷却系统的原理,结合实际情况,搭建实验平台。
MPCL系统原理图中的蒸发器、冷凝器、机械泵构成了实验系统的主回路部分。
实验要模拟电子设备的发热,因此需要热模拟部分,热模拟是通过电阻加热片或者薄膜加热片给系统加热。
要分析系统的传热效果,因此需要采集温度数据,温度采集系统采用数据采集仪和工控机,数据采集仪操作简单方便,工控机监控数据直观。
实验时需要对系统抽真空和灌液,因此也需要相应的抽真空和灌液设备。
因此MPCL实验系统由MPCL系统主回路、热模拟模块、温度采集系统、抽真空模块和灌液模块组成,其中MPCL主回路是系统主要部分,其它四个模块是辅助部分,它们的关系图见图22。
图22MPCL系统各部分关系
根据MPCL系统的原理图和组成部分,搭建MPCL实验平台,实验平台各部分示意图见图23。
其中MPCL主回路主要包括机械泵、冷凝器、蒸发器等,热模拟通过加热电路给系统提供热量,温度采集是通过热电偶来采集关键点的温度,抽真空是采用真空泵组,抽真空为灌液做准备,灌液为系统提供传热所需要的工质。
图23MPCL系统实验平台示意图
二.2MPCL系统主回路的设计
MPCL系统的主回路包括机械泵、蒸发器、冷凝器、管路以及工质等,下文将逐一介绍。
二.2.1机械泵的组成和运行控制
在本实验中将直线推杆和波纹管合称机械泵,机械泵实物图见图24。
波纹管有两个,通过挡板隔开和连接,直线推杆通过推动挡板来实现波纹管的拉伸和压缩。
图24机械泵的组成
机械泵的驱动和控制主要由稳压稳流电源和欧姆龙定时器完成,它们实物见图25和图26,电源提供可以调节的直流电流和电压,调节推杆的速度。
定时器的作用是根据设定的定时周期控制推杆的往返运动,这样波纹管就被拉伸和压缩,实现了工质的循环驱动。
图25直流电源
图26欧姆龙定时器
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