一種混合式液冷機(jī)架設(shè)計(jì)

孫學(xué)富

摘要：介紹了一種基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的液冷機(jī)架設(shè)計(jì)，詳細(xì)敘述了液冷機(jī)架的整體架構(gòu)、液冷流道系統(tǒng)、上架安裝方法等，為兩種液冷方式和不同模塊集成安裝提供了借鑒。機(jī)架已通過了某型號項(xiàng)目的各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，論證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：液冷機(jī)架;液冷方式;冷卻路徑;工作原理

中圖分類號：V243

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.015

1 引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，為適應(yīng)未來機(jī)載平臺高度綜合化要求，人們對電子設(shè)備的體積、重量、性能提出了更高的要求。

現(xiàn)今高度綜合化的航空天子體系在射頻和廣電兩大領(lǐng)域采用了模塊化、現(xiàn)場可更換的思路。機(jī)載設(shè)備正向小型化、高集成化的方向發(fā)展，由此帶來的影響是高熱流密度、功能模塊的耗散功率越來越大，熱流密度通常達(dá)到傳統(tǒng)設(shè)備的7-10倍。在該技術(shù)發(fā)展的過程中，散熱問題非常突出，自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方法已經(jīng)不能滿足設(shè)備耗散功率的需求，迫切需要采用一種換熱效率更高的冷卻方法來解決設(shè)備的散熱問題。由于液體介質(zhì)具有比空氣及常規(guī)鋁材更好的熱交換系數(shù)，在目前高熱流密度設(shè)備中優(yōu)先使用液冷系統(tǒng)散熱。與傳統(tǒng)的散熱方式相比，液冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在能明顯減小設(shè)備體積和重量，這點(diǎn)對重量要求極為苛刻的機(jī)載平臺尤為重要。現(xiàn)今基于LRM模塊開發(fā)的綜合射頻機(jī)架被國內(nèi)外機(jī)載平臺廣泛采用，該構(gòu)架形式的優(yōu)點(diǎn)是降低壽命期費(fèi)用，縮短研制周期;提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力;有利于系統(tǒng)的改裝擴(kuò)展以及新技術(shù)的采用。LRM綜合化液冷機(jī)架如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)流程

機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如下：①確定模塊的數(shù)量;②計(jì)算插槽的數(shù)量和外形尺寸;③確定流道形式和分流方式;④計(jì)算流阻，判斷是否滿足要求;⑤確定機(jī)架安裝方式;⑥通過仿真判斷機(jī)架是否滿足環(huán)境條件要求;⑦通過試驗(yàn)對機(jī)架進(jìn)行驗(yàn)證。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)備組成，通過計(jì)算，機(jī)架需設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，主要由上中下三層冷板、側(cè)板、前面板、母板轉(zhuǎn)接板、分匯流組件等結(jié)構(gòu)部件組成，具體如圖2所示。

模塊以傳導(dǎo)散熱為主，但機(jī)架內(nèi)部有功耗很大的功能模塊，需采用穿通液冷方式對模塊進(jìn)行散熱，其功耗達(dá)230W，液冷板的傳導(dǎo)冷卻已經(jīng)不能滿足該模塊的散熱要求，同時(shí)機(jī)架中也有其他模塊，模塊基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)備具體情況，模塊尺寸有兩種規(guī)格：①233.4 mmx160 mm;②340 mmx170 mm。兩種模塊集成安裝如圖3所示。

該機(jī)架混合式主要體現(xiàn)在冷板的傳導(dǎo)冷卻和模塊的穿通液冷以及不同深度尺寸模塊的集成化安裝?；旌鲜揭豪錂C(jī)架組成如圖4所示?；旌鲜搅鞯涝O(shè)計(jì)如圖5所示。

機(jī)架采用上、中、下三塊冷板，為機(jī)架主要的受力區(qū)域，實(shí)現(xiàn)LRM的裝入、拆卸，LRM通過鎖緊條與冷板緊密接觸，使LRM實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)散熱到機(jī)架冷板，帶走熱量;穿通液冷通過模塊自帶的盲插接頭，將冷卻液引流到模塊內(nèi)部自帶的冷板上，對模塊進(jìn)行散熱，此冷卻方式適用于大功耗的模塊。LRM傳導(dǎo)冷卻路徑如圖6所示。模塊內(nèi)部流道如圖7所示。

該機(jī)架內(nèi)高低頻電纜數(shù)量多，為了便于設(shè)備接線以及后期調(diào)試和維護(hù)，背部轉(zhuǎn)接板分為兩塊，采用帶鉸鏈的翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)接板連接方式如圖8所示。

該機(jī)架需安裝在標(biāo)準(zhǔn)19英寸（1英寸等于2.54 cm）機(jī)柜上，為方便維修將電器接口和液體接口放置在后部，熱傳導(dǎo)通道一分匯流管路組件設(shè)計(jì)從機(jī)架側(cè)面延伸到后部，接口實(shí)現(xiàn)了電液分離，避免冷卻液污染電連接線的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 液冷流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)架需要考慮散熱通道的分流和匯流設(shè)計(jì)，其工作原理如圖9所示，具體為液冷源將冷卻液推送人液冷管路中，液體流經(jīng)分流管路組件到達(dá)三層冷板和穿通液冷模塊，與LRM進(jìn)行熱交換，冷板中液體溫度升高.升溫后的液體經(jīng)匯流管路組件帶走熱量，回到液冷源進(jìn)行熱交換，溫度降低，如此反復(fù)循環(huán)將設(shè)備中的熱量帶走。

穿通液冷的實(shí)現(xiàn)主要依靠分匯流管路上的分支到穿通液冷集成小板上實(shí)現(xiàn)，管路組件將液體分流到集成小板上，通過小板上的分流道并聯(lián)將液體引流到穿通液冷的每個(gè)模塊上實(shí)現(xiàn)混合式液冷，如圖10所示。

機(jī)架分匯流依靠管路組件來實(shí)現(xiàn)。組件獨(dú)立于機(jī)架之外，設(shè)計(jì)上簡單，方便后期維護(hù)和更換，組件通過0形密封圈實(shí)現(xiàn)與冷板流道之間的密封。管路組件與冷板的接合面是一個(gè)很小的平面，按正常加工進(jìn)行就可以，不需要專門考慮工藝過程，裝配時(shí)也非常簡單，將密封圈卡入槽內(nèi)，用螺釘固定即可，裝配復(fù)雜度為簡單。

液冷機(jī)架流道原理如圖11所示。液冷管路組件如圖12所示。管路安裝如圖13所示。

冷板內(nèi)部流道采用蛇形結(jié)構(gòu)，工藝上采用金屬鈦管路與冷板基板整體鑄造成形的方法，該工藝可以有效避免防凍液腐蝕鋁材的冷板基板，增加機(jī)架的可靠性和使用壽命。冷板加工成形工藝如圖14所示。冷板流道設(shè)計(jì)如圖15所示。

3.3 機(jī)架上架設(shè)計(jì)

機(jī)架在飛機(jī)上安裝在機(jī)柜中，整個(gè)機(jī)架需要按19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在整個(gè)機(jī)架的寬度小于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的開口尺寸，機(jī)架前端帶19英寸的標(biāo)準(zhǔn)插箱面板，機(jī)架底部不能使用減震器和定位孔固定。機(jī)架的安裝順序?yàn)榘惭b件先安裝在機(jī)柜上，液冷機(jī)架置于安裝架上，從前向后推人，當(dāng)后面板的導(dǎo)套與安裝架的導(dǎo)銷定位面緊密配合時(shí)機(jī)架即安裝到位，然后鎖緊前面板的螺釘。為避免機(jī)架底面在裝入時(shí)被劃傷從而表面涂層遭到破壞，在安裝架與機(jī)架接觸的表面涂覆耐磨涂層，安裝件如圖16所示。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了一種液冷機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最終該設(shè)計(jì)方案通過仿真模擬，已在某型號項(xiàng)目中得到了實(shí)施驗(yàn)證，證明該機(jī)架能夠很好滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。