舰船电子设备冷却技术研究

刘 永，陈德祥，陈 恩

（1.海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，江苏南京210006；2.合肥通用机械研究院，压缩机技术国家重点实验室，安徽合肥230031）

0 引言

由于现代化作战需求，舰船通信系统、指挥作战系统、警戒探测系统、大功率武器装备系统快速发展，电子设备的使用也逐渐增加，特别是大功率电子设备的使用。因为大功率电子设备使用，电子器件的散热量也进一步提高，某些关键舰船电子设备的散热量甚至达到兆瓦级。研究表明所有的电子元器件都有其工作温度的上限，设计精良的电子设备在长期超温及不均匀热应力的情况下都会发生故障或失效；有统计表明，电子器件的温度每升高l0℃，其可靠性就会降低50%［1］。这些数据都说明了冷却装置的重要性。同时由于舰船电子设备工作环境的要求以及电子设备技术发展，传统的冷却技术越来越难以适应电子设备散热设计的需求。如何将新型、高效的冷却技术应用舰船电子设备，提高电子设备的整体性能、可靠性，减小设备体积、降低设备重量，是值得深入研究的课题，本文探讨了几种新型冷却技术的应用。

1 舰船电子设备冷却特点

舰船上需要冷却的电子设备主要包括各种电子机柜和雷达天线两类，其内部装有大量集成电路板、芯片、晶体管等发热电子元器件。电子设备冷却经过两个过程，一是电子设备内部换热，通过风冷或水冷方式，将电子设备热量与自带冷却单元如冷板、换热器进行换热，达到控制电子设备内部温度、湿度的目标；二是利用舰船提供的冷却资源将冷却单元传出来的热量带走，将热量排向环境中，对舰船而言通常是将热量排向海水，称为二次换热。

目前舰船电子设备内部换热器常用的冷却方式有风冷、水冷和组合式冷却等几种，通常要求提供20℃左右的风，或10～35℃左右的水［2］。风冷分为开放式风冷和闭式循环风冷两种，前者直接利用舱室的自然风或舱室空调风，由于这种方式的三防能力较差，在舰船上应用逐步被淘汰；后者空气经过制冷蒸发器或冷媒水换热器后，再经过处理吹至冷却部位，可以精准控制冷风的温度和湿度［3］，在发热功率较小的机柜中应用较多。水冷有两种工作方式，一种是流过冷板，电子元器件的热量通过导热传递到冷板，再由冷却水带走；另一种是流过表冷器，例如有的机柜在背部安装换热器，冷风从换热器出口吹出，通过导流罩到达机柜底部完成强迫风冷。有些电子设备结构较复杂，需要风冷和水冷的组合式冷却，如某舰载密闭机柜总热耗2.8kW，采用了组合式冷却方案，变压器热耗1.1kW通过强迫风冷进行冷却，功率逆变组合热耗1.7kW，通过四块液冷冷板进行冷却［4］。二次换热系统一般为水系统，冷却水为淡水或防冻液，根据冷却水温度要求决定它与海水的换热方式，温度较高时直接采用水-水换热，温度要求低时采用冷水机组供水，冷凝器采用海水冷凝器。

舰船电子设备冷却系统与传统空调系统相比有如下特点［5］：防凝露、防冻、防腐、防尘、全天候工作、电磁兼容要求高、冷却形式多样、高可靠性、设计充分考虑冗余、充分考虑可维修性。

2 新型冷却技术

2.1 热管技术

2.1.1 热管工作原理

热管的基本工作原理如图1所示，典型的热管由密闭的管壳、毛细吸液芯和工作介质组成。管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，中间为绝热段。当热管的一端被加热时，毛细吸液芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小压差作用下流向另一端，在冷凝段蒸汽向热沉放热凝结成液体，液体在吸液芯中毛细力作用下回流至蒸发端。

热管具有传热效率高、重量轻且构造简单、温度分布平均的特点，可作均温或等温器件，热传输量大，热传送距离长，没有主动元件，本身并不耗电，没有热传方向的限制，蒸发端及凝结端可以互换，容易加工以改变热传输方向，耐用，寿命长，可靠，易存放保管。

图1 热管工作原理

2.1.2 热管用于密闭机柜冷却

图2是热管用于密闭机柜的工作原理图［6］，该冷却方案采用了分离式热管，以空气为最终热沉，蒸发端位于密闭机柜内部，冷凝端位于密闭机柜外部，两者通过蒸汽导管和回流导管形成环路，分别安装在中间隔板两侧，为增强传热效果，内外均有风扇进行强制对流换热。在一定的温度范围内工作时，散热器散热功率与内、外循环进风的温差有关，基本呈线性关系变化，环境温度50℃时，2kW热耗的机柜内部温度不超过70℃。通过热管将密闭机柜内的空气流动与舱室内部空气流动隔离，可有效解决电子设备的三防问题。该方案中热量最终排向舱室，因此只适用于小功率的机柜散热，若发热功率较大，可将冷端改为水冷方式［7］。

图2 密闭机柜热管散热原理

图3 T／R组件液冷冷却系统

2.1.3 热管用于雷达T／R组件冷却

1）利用热管简化冷却系统

文献 ［8］通过仿真和试验研究了用热管代替液冷对雷达T／R组件进行冷却，液体冷却系统（图3）需要二次冷却装置对液体进行再冷却，使得雷达装置体积大，机动性差，热管冷却系统（图4）在冷凝端采用自然冷却或加风机强化冷却，在保证冷却效果的同时，系统得到简化，提高了装置的可靠性和机动性。

2）减小冷板温度梯度

热管利用了工质的相变进行换热，其温度均匀性好，利用这一特点可降低T／R组件的温度梯度。文献 ［9］通过实验比较了普通冷板和热管冷板的冷却效果，热管冷板是在普通冷板的壳体上嵌入了热管 （图5）。冷板温度分布的试验结果 （图6）表明热管冷板可以降低芯片的温度以及不同芯片之间的温度梯度，使用热管冷板的系统可以接受更高温度的冷却液。

图4 T／R组件热管冷却系统

图5 热管在冷板上的位置布局

图6 冷板温度分布试验结果 （46.3W／cm2）

图7 平板热管工作原理示意图

另一种降低温度的方法是采用平板热管，平板热管是传统热管的变形形式，如图7所示。工作时，加热面输入的热量使吸液芯内的液体蒸发，蒸汽流过整个腔室形成等温散热面，然后蒸汽在冷凝器表面上冷凝，通过强制对流，自然对流或液体冷却带走热量，最后，吸液芯的毛细管力使冷凝液返回加热面。平板热管对重力不敏感，加热面和冷凝面上下颠倒仍然可以工作。传统热管是只能沿轴向做一维传递热量，平板热管可沿二维方向传热，传热面积大，因此平板热管可以将芯片上较小面积内的发热转换为较大面积上的发热，降低了热流密度，从而可以通过风冷方式进行冷却。

图8 微通道冷板

2.2 微通道技术

管内换热的试验关联式表明换热系数与管道水力半径成反比关系，微通道冷却技术就是通过减小流道的水力半径来增大换热能力的。微通道通常是指水力半径在1～1000微米之间的流道，在硅基板或金属基板上采用光刻、化学刻蚀、电火花加工、离子束加工以及钻石切削等技术制造出微尺度通道，再经封装形成密闭的冷却通道，图8是微通道冷板示意图。根据微通道内是否有相变可将微通道冷板分为单相冷板和相变冷板两种，这两种微通道冷板与传统冷板相比都可大大提高换热能力。因此微通道冷却是目前的一个研究热点，文献 ［10］对用于相控阵雷达的微通道单相冷板和S形流道冷板的换热性能进行了比较，结果表明，与普通S形流道冷板相比，微通道冷板具有更加优异的换热性能。单相微通道冷板的换热系数与入口流速相关，入口流速越大换热能力越强，但当入口流速达到一定值后，热源温度下降速率趋于平缓，继续增大流速时，热源温度降低效果不明显，而进、出口压差会增大，使泵功耗增大，影响冷板经济性［11］。

单相微通道冷板与相变微通道冷板相比，阻力系数大，沿流动方向上的温度梯度大，而相变冷板的温度阻力较小，温度均匀性更好。由于利用了相变潜热，同样的发热功率条件下，所需冷却介质的量可以大幅减小，相应的外部管路尺寸、供液泵的功率都可以减小，有利于提高冷却系统的紧凑性。文献 ［12］的试验表明有相变换热与传统水冷相比，体积重量可减小至少4倍流量减少至少6倍冷却及散热能力增加至少10倍。

2.3 喷雾冷却技术

液体喷雾冷却是利用喷嘴喷出的众多微小液滴成雾状射向发热面，在发热表面形成一层冷却液薄膜，随着液膜的流动或冷却液遇热蒸发带走热量（图9）。喷雾冷却冷却换热效率高，且冷却均匀，适用于一些对温度要求很严格的领域。国外EA-6B和全球鹰目前已采用了该冷却技术［13］，国内该技术研究还处于起步阶段，部分高校的热工研究机构在这方面进行过一些尝试，也开展了一些试验性研究，但实际的工程应用还未见报道。

图9 喷雾冷却示意图

3 舰船电子设备冷却技术发展趋势

由于集成度的提高，舰船电子设备向大功率、高热流密度方向发展，冷却技术需要适应电子设备的发展趋势，同时还要满足可靠性高、环境适应性强、维修方便、重量轻、尺寸小等要求。未来舰船雷达的热流密度可能到的1000W／cm2，这已经超出了单相冷却所能达到的极限，只有利用相变潜热才能满足需求，仅从这一点而言未来的舰船电子设备冷却技术必须利用相变潜热。利用潜热进行冷却，单位质量冷却介质的携带热量能力高，工质流量可大为减少，从而减小冷却系统的重量和尺寸。热管、相变微通道冷板以及喷雾冷却正是利用了相变潜热，传热能力强，被认为是新型的冷却技术，但在舰船上应用在可靠性、环境适应性等方面仍然需要进行研究。未来舰船电子设备冷却技术趋势是从单相冷却为主转变为相变冷却为主，同时提高相变冷却技术的可靠性和环境适应性。

4 结论

随着舰船电子设备发热功率密度的不断增加，传统的冷却方式已不能满足散热需求，需采用换热效率更高的冷却方式，本文探讨了几种现代电子器件冷却方法在舰船电子设备中的应用。未来舰船电子设备冷却技术趋势是从单相冷却为主转变为相变冷却为主，并提高相变冷却技术的可靠性和环境适应性。