用于軍事信號處理的液體冷卻在高功率密度系統(tǒng)中具有優(yōu)勢，可以以比風(fēng)冷系統(tǒng)更高的速率散熱，并且可以有效地將熱量傳遞到更遠(yuǎn)的地方以進(jìn)行熱特征控制。使用液冷系統(tǒng)時(shí)，面臨的挑戰(zhàn)是滿足尺寸、重量和功率 （SWaP） 目標(biāo)，同時(shí)確保設(shè)計(jì)性能和可靠性。介紹了一種如何使用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）嵌入式計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真對冷板設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行建模、表征和優(yōu)化的方法，然后立即在全泵送液冷系統(tǒng)的系統(tǒng)級流體動力學(xué)仿真模型中使用該數(shù)據(jù)。這種基于模型的 1-D/3-D CFD 設(shè)計(jì)方法可以更早、更準(zhǔn)確地評估物理組件。

先進(jìn)的航空電子設(shè)備、雷達(dá)和武器控制都是軍用飛機(jī)機(jī)身內(nèi)的重要熱源。用于支持這些電子設(shè)備的電源也會產(chǎn)生熱量。隨著越來越多的功能被計(jì)算機(jī)化，電子設(shè)備更小，封裝在更緊湊的空間中，散熱變得復(fù)雜。如果沒有足夠的空間讓空氣流動，就無法進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。當(dāng)熱量在機(jī)身中積聚時(shí)，它必須從儀表板和駕駛艙中散發(fā)出去。

在考慮熱設(shè)計(jì)時(shí)，不能使用用于構(gòu)建輕型飛機(jī)結(jié)構(gòu)和阻止檢測熱特征的復(fù)合材料來散熱內(nèi)部電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量。廢熱必須通過其他方式消散，例如管道或主動冷卻裝置。對從航空電子系統(tǒng)中提取熱量的替代方法的需求導(dǎo)致了液冷電子元件開發(fā)的進(jìn)步。液冷系統(tǒng)的傳熱速率比風(fēng)冷系統(tǒng)高得多，熱量可以從源頭傳輸?shù)酶h(yuǎn)。

然而，用液體冷卻航空電子設(shè)備也有其挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器被冷板所取代，冷板具有設(shè)計(jì)用于循環(huán)冷卻劑和吸收電子設(shè)備熱量的內(nèi)部通道。冷卻劑通過熱交換器或一系列熱交換器泵送以提取熱量。冷卻介質(zhì)可以是空氣或其他液體，也可以是使用空氣和液體冷卻組合的混合系統(tǒng)。用于從電子元件中提取熱量的組件（冷板等）的結(jié)構(gòu)必須經(jīng)過優(yōu)化，以一致可靠地運(yùn)行，同時(shí)保持盡可能小的占地面積。此外，這些系統(tǒng)需要管道、泵、閥門和控制裝置以及散熱器。在大多數(shù)軍事應(yīng)用中，散熱器是燃料。

早在1960年代末和1970年代初，通用電氣和賴特-帕特森空軍基地的聯(lián)合研究就考慮了使用飛機(jī)的燃料作為散熱器。隨著業(yè)界看到飛機(jī)結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備的進(jìn)步以及保持飛機(jī)的熱量和雷達(dá)特征盡可能小的愿望，這一概念再次引起了人們的興趣。

液體冷卻系統(tǒng)的一個(gè)很好的例子是F-22猛禽上使用的系統(tǒng)。冷卻液聚α烯烴（PAO）通過駕駛艙內(nèi)關(guān)鍵任務(wù)電子設(shè)備的冷板循環(huán)，并泵出到機(jī)翼以冷卻遠(yuǎn)程嵌入式傳感器。從那里，溫暖的PAO通過空氣循環(huán)機(jī)，在那里它吸收更多的熱量，然后通過熱交換器，將熱量從PAO傾倒到燃料中。

這些冷卻系統(tǒng)的真正挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)，將關(guān)鍵任務(wù)電子設(shè)備保持在所需的 68 °F 工作溫度，無論任務(wù)和飛行剖面如何，無論油箱是滿的（大散熱器）還是接近空的（小散熱器），都能正常工作。為此，必須同時(shí)設(shè)計(jì)冷板、管道系統(tǒng)和熱交換器，以確定它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。冷板的設(shè)計(jì)驗(yàn)證可以通過3D熱仿真和分析來完成，以找到內(nèi)部幾何形狀的最佳選擇：它是否應(yīng)包含銷釘，翅片或開放式通道，以及翅片是否對齊或交錯(cuò)。

三維熱仿真為冷板的性能提供高度準(zhǔn)確的結(jié)果;但是，嘗試使用這種工具對整個(gè)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模將導(dǎo)致巨大的網(wǎng)格尺寸，并且需要很長時(shí)間。在這種情況下，組件位置、尺寸和熱交換器性能是關(guān)鍵方面，一維工具對于全系統(tǒng)仿真非常有效。

在系統(tǒng)級別進(jìn)行優(yōu)化

我們在這里看到的示例類似于 F-22 猛禽的情況，盡管沒有使用確切的系統(tǒng)參數(shù)，因?yàn)榇诵畔⒉还_。整體布局如圖 1 所示。為簡化起見，僅對其中一個(gè)液冷冷板進(jìn)行了建模。

圖1：顯示了液冷航空電子設(shè)備的簡化布局。

所有其他冷卻組件都建模為簡單的集總參數(shù)組件。這可以從駕駛艙的特寫視圖中看到（圖2）。藍(lán)線表示包含發(fā)送到冷板的冷PAO的管道，紅線表示溫暖的PAO離開冷板并進(jìn)入機(jī)翼傳感器和空氣循環(huán)機(jī)。綠線代表用于冷卻PAO的燃料回路。

圖2：顯示了帶有液冷冷板的駕駛艙特寫。

為了優(yōu)化系統(tǒng)，考慮了五種不同的冷板設(shè)計(jì)。在3D熱仿真工具中評估這些設(shè)計(jì)后，將比較它們的獨(dú)立性能以及它們在整個(gè)系統(tǒng)中的性能。

評估冷板設(shè)計(jì)

在冷板的熱設(shè)計(jì)中要考慮的主要影響因素是流體速度、傳熱面積以及尺寸、重量、功率和成本 （SWaP-C） 的可比比比值。

流體速度的增加會增加傳熱系數(shù)。這導(dǎo)致更高的熱流速率，從而導(dǎo)致更低的芯片溫度。同時(shí)，更高的速度會導(dǎo)致壓降增加，從而增加泵的能耗。通過添加增強(qiáng)的表面（如銷或翅片），可以顯著改變傳熱表面積（圖 3）。這些增強(qiáng)表面的有效性取決于它們的排列和對齊或移動的圖案。例如，與對齊布置相比，移位布置通常會導(dǎo)致更高的熱流速率，但同時(shí)會導(dǎo)致壓降增加。

圖3：顯示了模擬冷板設(shè)計(jì)的五種可能的幾何配置（頂部）。CAD 模型從左到右：無增強(qiáng)傳熱、對齊銷、移針、對齊翅片、移位翅片（底部）。

增強(qiáng)的功能也會對SWaP-C產(chǎn)生重大影響，因?yàn)轭~外的表面積會影響冷板的尺寸和重量。構(gòu)建增強(qiáng)的表面需要額外的材料，由于更復(fù)雜的工具和制造要求，這增加了成本。

模擬冷板

在本例中，冷板和相關(guān)電子器件（絕緣柵雙極晶體管 ［IGBT］ 和二極管）在西門子 NX CAD 程序中構(gòu)建，并在 NX 接口內(nèi)與 Mentor 的 CAD 嵌入式熱仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。IGBT芯片和二極管是熱源：分別為360 W和144 W。以5升（L）/分鐘的體積流速對每種冷板設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，并比較結(jié)果。完成該模型的一次分析運(yùn)行時(shí)間為4.5小時(shí)，一個(gè)人在四核計(jì)算機(jī)上交互2.5小時(shí)（表1）。使用一臺 16 芯機(jī)器進(jìn)行 16 次運(yùn)行參數(shù)研究，該研究在 16 小時(shí)內(nèi)完成。

表 1：液冷冷板三維熱仿真的分析統(tǒng)計(jì)。

圖4顯示，沒有任何增強(qiáng)傳熱表面的設(shè)計(jì)具有最低的重量和最低的壓降，但也具有最高的工作溫度，明顯高于所有其他設(shè)計(jì)。其他設(shè)計(jì)在工作溫度上更相似，但壓降變化很大。移位翅片設(shè)計(jì)具有最高的壓降，也是最重的設(shè)計(jì)。

圖4：圖中顯示了冷板設(shè)計(jì)的壓降與工作溫度和重量的關(guān)系。氣泡大小表示冷板的相對重量。

還通過將體積流速邊界條件從 1.5 到 5 L/min 變化，對每種設(shè)計(jì)進(jìn)行了參數(shù)化研究。圖5顯示，所有具有增強(qiáng)傳熱表面的冷板設(shè)計(jì)在1.5 L/min及以上的流速下散熱性能相似，但對齊和移位設(shè)計(jì)之間的壓降差異很大。移位設(shè)計(jì)的壓降比對齊的設(shè)計(jì)高 50% 到 100%。

圖5：圖中顯示了冷板設(shè)計(jì)的體積流量與工作溫度和壓降的關(guān)系。（實(shí)線：溫度，虛線：壓降）。

冷卻液的入口溫度與部件溫度的關(guān)系圖。圖6顯示了隨著入口溫度的升高，元件溫度呈線性上升趨勢，所有設(shè)計(jì)的變化率相似。

圖6：圖中顯示了冷卻液入口溫度與部件溫度的關(guān)系。

參數(shù)研究的結(jié)果表明，其中兩種設(shè)計(jì)的性能優(yōu)于其他設(shè)計(jì)：這兩種設(shè)計(jì)在對齊配置中具有增強(qiáng)的傳熱表面、銷或翅片。它們是表征和導(dǎo)入一維系統(tǒng)級熱仿真模型的候選對象。這種優(yōu)化設(shè)計(jì)用于液冷航空電子系統(tǒng)的冷板幾何形狀的過程可以使工程師在創(chuàng)建原型之前就快速決定哪些設(shè)計(jì)是最好的，哪些可以消除以供考慮。

審核編輯：郭婷