CN114599210A - 一种双面液冷散热的多通道综合组件 - Google Patents

一种双面液冷散热的多通道综合组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具备高效双面液冷散热能力的多通道综合组件，属于雷达组件散热技术。该综合组件采用“三明治式”结构布局，将两侧四通道T/R组件与中部的液冷板集成到一起。该液冷板在壳体中设有S型水道，在S型水道上对应功放芯片的位置设有导热扰流柱。导热绕流柱设置密度由进水口至出水口逐渐增加，在距离进液口不同液路长度的芯片位置，导热扰流柱数量根据计算与仿真分析进行合理优化，近端绕流柱数量较少，远端数量较多。导热扰流柱通过扰流作用可以改善局部冷却液流速，同时增加局部固液换热面积，提升散热效率。本发明可有效提升T/R组件散热性能，并将不同通道间的功放芯片温差控制在较小范围内，提升组件相位一致性。

Description

一种双面液冷散热的多通道综合组件
技术领域
本发明属于雷达组件散热技术领域，具体为一种双面液冷散热的多通道综合组件。
背景技术
随着现代雷达技术的大功率、高热耗的发展需求，液冷散热在相控阵雷达T/R组件冷却中得到越来越多的使用，成为大功率相控阵雷达天线阵面的重要组成部分，T/R组件的散热能力和不同通道功放芯片间的均温控制要求越来越严格。对于小体积、大功率的TR组件来说，由于外形尺寸小，散热空间局促，热流密度大，目前常规的深孔钻或简单流道液冷板已越来越难以满足组件散热需要，而且常因冷却液泄露造成电连接器故障，或因冷却液泄露或因供液温度过低带来设备凝露引发故障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具备高效双面液冷散热能力的多通道综合组件。
为实现上述目的，本发明提供了一种多通道综合组件，包括液冷板、四通道T/R组件以及安装螺钉。该多通道综合组件采用三明治式结构布局，中间为液冷板，两侧各贴合安装2个四通道T/R组件，底部为射频输入和供液接口，顶部为供电、信号和射频输出接口。
该综合组件的液冷板，包括液冷板壳体、盲插水接头和安装附件，在所述液冷板壳体中设有S型水道，在液冷板壳体侧面设有S型水道的进水口和出水口；在S型水道上对应功放芯片的位置设置导热扰流柱。导热扰流柱通过扰流作用可以改善局部的冷却液流速，同时增加局部固液换热面积，提升散热效率。
为了进一步提升冷却效果，所述导热绕流柱可以采用叉状排列方式，截面为圆形，间距为1.25～1.5d，其中d为绕流柱直径，在外部提供35℃，1L/min的65号航空防冻液循环供液条件下，实现双面16通道600W级别散热能力。
在雷达工作时，T/R组件各通道功放芯片的温差会导致不同通道间相位参数有差异，这种差异过大会导致雷达工作的精度下降，为了解决这个问题，本发明将所述导热绕流柱设置密度进行调整，由S型水道的进水口至出水口逐渐增加，设置密度为S2＝(1.1～2.5)S1，其中S2为下一位置所有导热绕流柱截面积之和；S1为上一位置所有导热绕流柱截面积之和。本发明将距离进液口不同距离的芯片导热扰流柱数量根据计算和仿真分析进行合理优化，通过渐变数量设计避免近端液体温升过大造成远端芯片温度过高的问题，在外部提供35℃，1L/min的65号航空防冻液循环供液条件下，将16个通道间的温差控制在±2℃的范围内，提升通道间的相位一致性。
为了防止安装错误，在所述液冷板上下两侧分别设有与安装框架的导向槽相配合的宽导向条和窄导向条，分别与安装框架的不同宽度的导向槽配合，模块方向、位置不正确无法插入安装框架，减少了由于错插导致的连接器损坏问题。
为了增加安装便利性，在所述液冷板的进水口和出水口处安装盲插水接头。采用小体积盲插水接头，插拔方便，无需拆装水管、拧接头，具备自密封功能，防漏性能好，并具备一定的径向安装浮动量，可靠性高，能实现液路的快速连接与分离。
进一步的，所述液冷板与四通道T/R组件采用水电分离式设计，在液冷板底面开设连通进水口和出水口的导流槽，并加装防水密封绳，与安装框架的配合面形成局部防渗漏区域。组件竖向安装，盲插水接头故障失效时泄露的冷却液沿导流槽泄流，不会从密封绳处漏出对两侧四通道组件的射频连接器造成影响。
所述四通道T/R组件包括组件壳体，在组件壳体内安装组件电路板，组件壳体底面和顶面设有射频连接器和微矩形连接器，组件电路板上搭载若干颗功放芯片，所述四通道T/R组件采用成熟的微组装与激光封焊工艺，将组件电路板、射频与微矩形连接器封装在一个气密壳体中，良品率较高，故障时只需要替换对应四通道T/R组件而无需拆解整个多通道综合组件，维护性能好，制造与维护成本相对较低。四通道T/R组件与液冷板之间采用螺钉连接，并在散热结合面涂导热硅脂，填充结合面局部细小空隙，增加接触面积，降低整体接触热阻。
本发明相较于现有技术，其显著优点在于：
1)集成度高，采用三明治式夹心设计，液冷板位于中间、多通道组件分布在两侧，集成度高，结构紧凑，布局合理，安装方便；
2)散热能力强，均温性好，液冷板内部通过密布S型水道和数量渐变的导热扰流柱大幅度提升散热及均温性能，使其在35℃，1L/min普通供液条件下具备双面16通道600w级别的高效液冷散热能力，并将不同通道间的功放芯片温度差控制在±2℃范围内；
3)水电分离式设计，液冷板中间设有导流槽和防水密封绳，冷却液泄露时沿导流槽泄流，不会对两侧四通道T/R组件射频连接器造成影响；
4)各功能模块分离设计，相较于整体式液冷组件，液冷板与组件加工制造难度低，通用性强，可维修性好；
5)采用≥35℃常规温度的65号航空防冻液供液，大幅度降低设备凝露几率；
6)具备防插错功能，液冷板两侧的导向条宽度不同，模块方向、位置不正确无法插入安装框架，减少了由于插错导致的连接器损坏问题；
7)可以采用4个四通道微组装T/R组件拼装设计，工艺成熟，成本低，四通道微组装组件作为最小现场维修更换单元，相较于8通道或16通道微组装组件，良品率更高而加工制造和维修成本更低；
8)采用小体积盲插水接头，具备自密封功能，防漏性能好，尺寸小并具备一定径向安装浮动量，连接简单快速，无需拆装水管、拧接头。
附图说明
图1是双面液冷散热的多通道综合组件结构示意图；
图2是液冷板斜前视图；
图3是液冷板斜后视图；
图4是液冷板剖视图；
图5是导热绕流柱叉排示意图；
图6是四通道T/R组件示意图；
图7是四通道T/R组件剖视图；
图8液冷板带渐变数量导热扰流柱时功放芯片温度与水道温度分布示意图；
图9液冷板不带导热扰流柱时功放芯片温度与水道温度分布示意图；
图10液冷板带均匀数量导热扰流柱时功放芯片温度与水道温度分布示意图；
附图标记：
1液冷板、2四通道T/R组件、3安装螺钉；
1-1液冷板壳体、1-2S型水道、1-3导热扰流柱、1-4导流槽、1-5防水密封绳、1-6盲插水接头、1-7宽导向条、1-8窄导向条、1-9定位销、1-10助拔器、1-11松不脱螺钉、1-12四通道T/R组件散热安装面、1-13四通道T/R组件安装螺纹孔；
2-1四通道T/R组件壳体、2-2组件电路板、2-3射频连接器、2-4微矩形连接器、2-5安装孔、2-6功放芯片。
具体实施方式：
下面结合具体实施例及附图，进一步对本发明行清楚、完整地描述。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，一种双面液冷散热的多通道综合组件，包括液冷板1、四通道T/R组件2、安装螺钉3。液冷板1位于所述多通道综合组件中部，完成组件散热和整体对外安装连接的功能，4个四通道T/R组件2通过安装螺钉3固定在液冷板1两侧，每侧并排布置两个，完成射频信号收发功能。
如图2、图3、图4、图5所示，所述液冷板1包括冷板壳体1-1、S型水道1-2、导热扰流柱1-3、导流槽1-4、防水密封绳1-5、盲插水接头1-6、宽导向条1-7、窄导向条1-8、定位销1-9、助拔器1-10、松不脱螺钉1-11，四通道T/R组件散热安装面1-12,四通道T/R组件安装螺纹孔1-13。所述冷板壳体1-1采用钎焊工艺，将左右两侧加工好液体S流道1-2和导热绕流柱1-3的铝板焊接到一起，成型效率高，可靠性好，成本低。冷板焊接成型后，通过机加工的方式加工出两侧四通道T/R组件散热安装面1-12和安装螺纹孔1-13、导流槽1-4、宽导向条1-7、窄导向条1-8，并加工出防水密封绳1-5、盲插水接头1-6、定位销1-9、助拔器1-10、松不脱螺钉1-11的安装接口。通过液冷板上的定位销、导向条，松不脱螺钉以及助拔器完成所述多通道综合组件的安装定位、导向、紧固和插拔。
所述液冷板壳体1-1的S型水道1-2根据液冷板1两侧组件芯片位置分布设计，并在16个发热量最大且有一定温差控制要求的功放芯片2-6对应位置设置导热扰流柱1-3，导热绕流柱1-3采用叉状排列方式，截面为圆形，间距为1.25～1.5d(d为绕流柱直径)，增加局部固液换热面积、廊道流体扰动效果和冷却液流速，从而大幅度提升固液换热效率。同时导热绕流柱1-3采用数量渐变设计，距离进液口不同液路长度的芯片位置导热扰流柱1-3数量根据计算和仿真分析进行合理优化，近端绕流柱数量较少，远端数量较多。导热绕流柱1-3安装密度为S2＝(1.1～2.5)S1时(其中S2为下一位置所有导热绕流柱截面积之和，S1为上一位置所有导热绕流柱截面积之和)。本发明的实施例，是在外部提供35℃，1L/min的65号航空防冻液循环供液条件下，有效散热尺寸130mm×90mm的液冷板上可实现双面16通道600W级别的高效液冷散热能力，并将不同通道间的功放芯片温度差控制在±2℃范围内。有效抑制近端液体温升过快带来的远端芯片温度过高的问题，提升组件相位一致性。
所述液冷板1两侧分别为宽导向条1-7和窄导向条1-8，分别与安装框架的导向槽配合，模块方向、位置不正确无法插入安装框架，减少了由于插错导致的连接器损坏问题。
所述液冷板1采用35℃65号航空防冻液循环供液，不会因供液温度过低造成设备凝露，提升整体可靠性高和平均无故障时间。
所述液冷板1采用小体积盲插水接头1-6，插拔方便，无需拆装水管、拧接头，具备自密封功能，防漏性能好，并具备一定的径向安装浮动量，可靠性高，能实现液路的快速连与接分离。
所述液冷板1与四通道T/R组件2采用水电分离式设计，通过底部开设导流槽1-4并加装防水密封绳1-5，与安装框架的配合面形成局部防渗漏区域。组件竖向安装，盲插水接头1-6故障失效时泄露的冷却液沿导流槽1-4泄流，不会从密封绳1-5处漏出对两侧四通道T/R组件2的射频连接器2-3造成影响。
如图6、图7所示，所述四通道T/R组件2包括组件壳体2-1、组件电路板2-2、射频连接器2-3、微矩形连接器2-4，安装孔2-5，每个组件电路板上搭载4颗功放芯片2-6以及其他相关芯片。所述四通道T/R组件的组件壳体2-1采用激光封焊工艺，将壳体基体与盖板焊接到一起，形成气密壳体，而组件电路板2-2采用微组装工艺安装到壳体2-1中，电路板上功放芯片2-6和其他芯片采用成本低，散热性能更好的裸芯片，与组件壳体2-1通过导热材料焊接到一起，芯片热量直接传导至壳体上。四通道微组装T/R组件相较于8通道或16通道微组装T/R组件来说制造工艺成熟，良品率更高，维护性能好，故障时只需要替换对应四通道T/R组件而无需拆解整个多通道综合组件，制造与维护成本相对低廉。
所述四通道T/R组件2与液冷板1之间采用螺钉3连接，并在散热结合面涂导热硅脂，填充结合面局部细小空隙，增加接触面积，降低整体接触热阻。
如图8、图9、图10所示，在外部提供35℃，1L/min的65号航空防冻液循环供液条件下，在双面4个四通道T/R组件600W级别热源激励下，液冷板1采用带有渐变数量导热绕流柱1-3的水道与无导热绕流柱的水道相比，冷却液流经功放芯片2-6位置时温升阶梯明显，功放芯片2-6的最高温度由117.47℃降低到85.40℃，16个通道间功放芯片均温性由±8℃级别提升到±2℃级别；液冷板1采用带有渐变数量导热绕流柱1-3的水道与采用带有均匀数量导热绕流柱1-3的水道相比，冷却液流经功放芯片2-6时温升阶梯效应稍弱，降低了距离进液口近的芯片处冷却液温升，增加了距离进液口远的芯片与冷却液之间的温差从而提升远端换热效率，功放芯片2-6的最高温度由88.21℃降低到85.40℃，16个通道间芯片均温性由±6℃级别提升至±2℃级别，因此采用渐变数量导热绕流柱1-3的水道设计能明显提升组件散热效率，在降低功放芯片2-6温度，提升不同通道间芯片均温性上效果显著，可延长功放芯片2-6的寿命，提升不同通道间的相位一致性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双面液冷散热的多通道综合组件，包括液冷板(1)、四通道T/R组件(2)、安装螺钉(3)；该多通道综合组件采用三明治式结构布局，中间为液冷板(1)，两侧各贴合安装2个四通道T/R组件(2)，底部为射频输入和供液接口，顶部为供电、信号和射频输出接口。
2.根据权利要求1所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，所述液冷板(1)包括液冷板壳体(1-1)、盲插水接头(1-6)及安装附件，在所述液冷板壳体(1-1)中设有S型水道(1-2)，在液冷板壳体(1-1)底面设有S型水道(1-2)的进水口和出水口；在S型水道(1-2)上对应功放芯片(2-6)的位置设有导热扰流柱(1-3)。
3.根据权利要求1或2所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，所述导热绕流柱(1-3)采用叉状排列方式，截面为圆形，间距为1.25～1.5d，其中d为绕流柱直径。
4.根据权利要求3所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，所述导热绕流柱(1-3)设置密度由S型水道(1-2)的进水口至出水口逐渐增加，导热绕流柱(1-3)安装密度为S2＝(1.1～2.5)S1，其中S2为下一位置所有导热绕流柱截面积之和；S1为上一位置所有导热绕流柱截面积之和。
5.根据权利要求1或2所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，所述液冷板(1)上下两侧分别设有与安装框架的导向槽相配合的宽导向条(1-7)和窄导向条(1-8)，具有防插错功能。
6.根据权利要求1或2所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，在所述液冷板(1)的进水口和出水口处安装盲插水接头(1-6)。
7.根据权利要求1或2所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，所述液冷板(1)与四通道T/R组件(2)采用水电分离式设计，在液冷板(1)底面开设连通进水口和出水口的导流槽(1-4)，并加装防水密封绳(1-5)，与安装框架的配合面形成局部防渗漏区域；盲插水接头(1-6)故障失效时泄露的冷却液沿导流槽(1-4)泄流，不会从密封绳(1-5)处漏出对两侧四通道T/R组件(2)的射频连接器(2-3)造成影响。
8.根据权利要求3所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，液冷板(1)内采用35℃的65号航空防冻液供液，设备凝露几率低；通过密布S型水道和数量渐变的导热扰流柱设计实现高散热及均温性能，使其在35℃，1L/min普通供液条件下在一块有效散热尺寸130mm×90mm的液冷板上实现双面16通道600W级别的高效液冷散热能力，并将不同通道间的功放芯片温度差控制在±2℃范围内。
9.根据权利要求1或2所述的双面液冷散热的多通道综合组件，其特征在于，所述四通道T/R组件(2)包括组件壳体(2-1)，在组件壳体(2-1)内安装组件电路板(2-2)，组件壳体(2-1)底面和顶面设有射频连接器(2-3)和微矩形连接器(2-4)，组件电路板上搭载若干颗功放芯片(2-6)。
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