一種基于LRM模塊的液冷機箱設計

鄒左明

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017)

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一種基于LRM模塊的液冷機箱設計

鄒左明

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628017)

液冷技術產品具有散熱好、噪聲低和灰塵少等優點，然而，高成本、難維護等問題限制了液冷技術類產品的推廣普及。針對上述問題，研究設計了一種基于LRM模塊的液冷機箱產品。對液冷機箱產品的工作原理、技術指標和環境適應性要求進行了研究，論證了液冷機箱設計方案的可行性。經過對比分析可知，該產品較其他同類產品具有低成本、易維護的優點，并通過8類試驗證明了該產品的有效性，進一步推動了液冷技術類產品的發展與普及。

LRM模塊；液冷機箱；系統設計；試驗

隨著液冷技術發展逐漸完善，使用液冷技術的安全問題已得到有效的解決。此種無風扇設計，不僅降低了噪聲，而且減少了灰塵；因此，具備散熱好、噪聲低和灰塵少等優點的液冷技術產品受到了大眾青睞。目前，液冷技術已廣泛應用于航天航空、汽車和計算機等行業；然而，成本太高、不便維護等因素限制了液冷技術產品的推廣。

針對上述問題，本文提出應用基于LRM模塊的液冷技術進行產品設計，有望進一步推動液冷技術產品的普及。LRM模塊是第4代綜合式航電系統的硬件基礎，其具有標準化程度高、便于維護的特點，可以將三級維護簡化為二級維護，縮短研制周期，減少全壽命成本[1-2]。

1　LRM和液冷技術的原理

LRM技術是一種可以實現快速插拔、安全鎖緊、裝配無焊化和完全模塊化，適應陸軍武器裝備的快速發展的一種新型技術，同時具有良好的電磁兼容性、抗沖減振性和冗余的熱設計性能。

液冷技術是指主要冷卻介質為液體的冷卻技術，其原理是利用液體與發熱元器件進行直接或間接換熱從而在流動或者蒸發過程中帶走熱量，從而降低發熱元器件溫度[2]。

2　液冷機箱產品系統組成及工作原理

液冷機箱產品系統(以下簡稱產品)是一種滿足LRM模塊環境測試的試驗裝置，主要功能是在LRM模塊環境試驗時提供溫度環境控制，提供LRM模塊進行環境試驗時的機械安裝及電氣連接。其主要用于對LRM模塊工作環境的溫度控制，并滿足LRM模塊、連接器和背板等元器件的安裝和固定要求。液冷系統一般由液冷機箱、液冷源、出液管和回液管組成(見圖1)。本產品組成見表1，工作原理如圖2所示。

圖1　液冷系統組成示意圖

名稱型號數量備注液冷機箱TLZ—YL—15051非標定制液量接頭SPH082STAUBLI液冷管路—4非標定制流量(壓力)顯示及調試設備—1非標定制液冷源Fc1600T1Julabo溫度測量設備—1—

圖2　LRM模塊溫控系統組成原理

在系統工作時，液冷機箱放置于溫度試驗箱內，液冷源放置在箱外，液冷機箱和液冷源通過2根管路連接，管路中集成流量(壓力)顯示及調節設備。按照試驗條件要求，在給定的環境溫度(70 ℃)和熱負載(800W)下，通過調整液冷源的冷液溫度及冷液流量等參數，保證液冷機箱與模塊接觸界面溫度達到預定要求[4]。

3　液冷機箱

3.1結構

本文所設計的機箱為臺面放置使用，左、右兩側預留安裝孔，可使用安裝附件安裝固定。機箱中上、下側板為冷板，采用鋁合金3A21銑削后真空釬焊，其余零件采用鋁合金5A06銑削加工，緊固件材質為不銹鋼1Cr18Ni9Ti；鋁合金零件加工后需做彩色導電氧化處理；機箱外表面噴塑或漆。機箱的上、下側板為冷板，對模塊進行傳導冷卻，右側板為分流板，安裝有2個通徑為8mm的卡口自密封接頭，將液冷源傳輸過來的冷卻液一分為二，分別傳輸到上、下冷板，同時將2塊冷板上回流的冷卻液匯集到一起，傳回液冷源再次冷卻。冷卻液流向示意圖如圖3所示，上、下冷板與右側板之間使用O型橡膠密封圈進行密封，密封圈為進口材質，能耐低溫，使用螺釘將各個側板聯接牢固。液冷機箱外觀如圖4所示。

圖3　冷卻液流向示意圖

圖4　液冷機箱外形示意圖

與傳統設計的液冷機箱比較見表2。

表2　與傳統設計的液冷機箱比較

通過表2比較看出，該設計思路給產品帶來的優點是冷卻系統結構簡單、可靠性好、冷卻均勻、噪聲小、維護方便和價格比較低[5]。

3.2技術參數

3.2.1溫控指標

每個LRM模塊熱消耗功率為80W，總共10個，總熱消耗功率≤800W；供液溫度(范圍內可調)：-15～+80 ℃；使用環境溫度：5～40 ℃；供液流量最大不超過28L/min；最大壓力≤350Pa。

3.2.2可靠性、維修性要求

MTBF≥4 000h；連續工作時間≥24h；液冷機箱在維修方面具備一定優勢，產品出現故障應能夠方便維修，更換管路及接頭快速、簡便；平均修復時間≤30min。

溫控系統通過調節流量和供液溫度，使模塊與機箱安裝界面溫度(見圖5)T≤66 ℃。

圖5　機箱與模塊接觸界面溫度要求示意圖

機箱內模塊布局如圖6所示，LRM模塊尺寸如圖7所示，模塊上的鎖緊條安裝孔位置在機箱詳細設計時確定。

圖6　機箱內模塊布局圖

圖7　LRM模塊尺寸圖

3.3環境適應性要求

液冷機箱應滿足如下高、低溫要求。

1)低溫貯存要求-55 ℃。

2)高溫貯存要求85 ℃。

3)低溫工作要求：液冷機箱在環境溫度為-55 ℃時能正常工作。

4)高溫工作要求：液冷機箱放置在70 ℃的溫度條件下(液冷機箱加電工作，最大發熱量800W)，溫控系統提供穩定的接觸界面溫度T≤66 ℃。低氣壓：試驗高度25 000m(壓力2.5kPa)；試驗溫度為當地實驗室室溫；試驗持續時間為1min；壓力變化≤10kPa/min。低溫低氣壓：-55 ℃、15 250m，保溫保壓240min；地面高溫：+70 ℃，工作240min；地面短時高溫：+85 ℃，工作30min；高溫低氣壓：+35 ℃、21 350m，工作4次，每次工作30min；短時高溫低氣壓：+60 ℃、15 250m，保溫保壓120min；+70 ℃工作15min；+85 ℃工作5min。

4　液冷機箱試驗驗證

4.1溫度沖擊試驗

試驗溫度：最高溫度為70 ℃，最低溫度為-55 ℃；試驗溫度保持時間為2h；轉換時間>5min；循環次數>3次。達到產品要求。

4.2濕熱試驗

按照GJB150.9—1986中地面和機載電子設備濕熱試驗要求，高溫高濕階段，溫度為60 ℃，相對濕度為95%，低溫高濕階段，溫度為30 ℃，相對濕度為95%，試驗周期為10T，T=24h。

4.3鹽霧試驗

按照GJB150.11標準的要求，溫度調整到35 ℃，保溫時間2h后噴霧，每24h檢測一次。試驗結束后，在正常試驗大氣壓下放置48h，進行恢復、干燥。金屬防護層腐蝕面積不超過金屬防護層腐蝕面積的30%，且底金屬未出現腐蝕。

4.4振動試驗

試驗方法如下：1)振動方向：X、Y和Z等3個軸向(見圖8)；2)振動功率譜如圖9所示。

圖8　振動方向

圖9　液冷機箱振動功能試驗振動譜

試驗時間：每個軸向1h；振動耐久試驗量級：1.6倍。

4.5加速度試驗

經試驗，液冷機箱能承受9g的6個方向加速度。

4.6沖擊試驗

X、Y和Z軸向規定如圖8所示，沖擊脈沖波形為半正弦波。液冷機箱能承受20g的后峰鋸齒波加速度沖擊，持續時間11ms，每個軸向18次。

4.7電磁兼容試驗

機箱設計時需考慮電磁兼容性，在復雜工作環境下能正常工作，滿足系統使用要求。

4.8霉菌試驗

菌種選擇根據GJB150.10A標準。溫度為30 ℃，相對濕度為90%～100%，外觀影響評定≤1。

通過上述8類試驗，驗證了該液冷機箱符合推向市場的產品標準，說明了該液冷機箱產品的有效性，為該產品的推廣普及奠定了堅實的基礎[6]。

5　結語

本文針對液冷技術類產品成本高、難維護的問題，提出了基于LRM模塊的液冷技術設計思路。首先，介紹了液冷機箱產品的系統設計方案，并論證了液冷機箱設計方案的可行性，確定了產品的技術指標；然后，經過成本對比和系統設計方案的對比，說明了該產品較目前市場上的其他產品具有成本低、易維護的優點[7]；最后，通過試驗證明了該產品的有效性，有望進一步推動液冷技術類產品的發展與普及。

[1] 時社萍，楊志剛. 一種軍用LRM模塊的新型插拔裝置[J]. 電子機械工程，2010(3): 37-39.

[2] 郝經佳.高效空氣—液體冷卻及控制系統的研制(ALECS)[D].北京：中國科學院自動化研究所，2003.

[3] 時陽，朱興旺，張保國. 低溫液體冷卻循環器的研究與開發[J]. 低溫工程，2003(1): 56-60.

[4] 唐良寶，張平.基于熱電制冷的液冷源系統設計[J].世界科技研究與發展，2009(2):302-304.

[5] 王建峰. 某機動型干擾發射車液體冷卻系統設計綜述[J].電子機械工程，2006(2):5-8,22.

[6] 于全德. 液體黏性傳動裝置冷卻系統的選擇[J].中州煤炭，2009(2):33-35.

[7] 豆會均. 淺談液冷技術發展[J].江蘇航空，2011(S1):175-178.

責任編輯鄭練

OneKindofLiquid-cooledChassisDesign

ZOUZuoming

(SichuanInstituteofInformationTechnology,Guangyuan628017,China)

Theliquidcoolingtechnologyproductshavegoodheatdissipation,lownoise,lessdust,etc.,however,thehighcost,difficultmaintenanceproblemslimitthepromotionofuniversalliquidcoolingtechnologyproducts.Aimingtheaboveproblems,designliquid-cooledchassisproductsLRMmodulebasedonliquidcoolingtechnology.Firstlyintroducethesystemdesignofliquid-cooledchassisproducts(works,technicalspecifications,environmentalsuitabilityrequirements),andthendemonstratethefeasibilityofliquid-cooledchassisdesign,thecomparativeanalysisshowsthattheproducthasalowercostthanothersimilarproductsandeasymaintenanceadvantage.Finally,eightcategoriesoftestsprovetheeffectivenessoftheproduct,andfurtherpromotethedevelopmentandpopularizationofproductswiththeliquidcoolingtechnology.

LRMmodules,liquid-cooledchassis,systemdesign,test

V243A

鄒左明(1978-)，男，工程碩士，講師，主要從事機械工程等方面的研究。

2016-01-27