某基于通液模塊的地面液冷機箱設計

姚紅平 趙玉申 尹玉 高振國

關鍵詞：液冷機箱;地面雷達;通液插件

隨著電子設備技術的快速發展，高熱流密度的電子設備越來越多，這將為電子設備的熱設計提出新的挑戰。單靠熱傳導散熱和對流風冷散熱已經難以達到散熱要求，液冷技術因換熱效率高效，在電子設備散熱領域得到廣泛應用，本文針對某地面雷達大功耗電子設備機箱冷卻分析，提出了一種液冷機箱結構，并對其關鍵技術進行闡述。

1機箱結構設計

機箱為6U標準機箱，以國軍標GJB 2825-97為標準，可以裝載于所有同標準設計的機柜中，機箱兩側留有導軌安裝孔。液冷結構設計由機箱主體框架、水分配器、液冷管路、水接頭、把手，前后面板等組成。從機箱后部看，進出口位于水分配器左右兩側，冷卻液進口設置在機箱左側板，冷卻液出口設置在機箱右側板。

機箱由左、右側板和上、下側板通過真空釬焊接形成機箱框架，焊接后機箱框架如圖2所示，為保證整體框架焊接的精度和強度，在焊接拼接處用工藝螺釘進行定位并起到加強作用。機箱上側板、下側板加工出機箱內部模塊的安裝導軌，導軌主要用于機箱內部模塊的安裝引導，相鄰兩個導軌形成的空間用于模塊鎖緊條的鎖緊，導軌的末端設計有凸臺用于安裝水分配器。框架左右安裝支耳與左右側板一體加工成型，保證機箱受力結構的一體性，增強機箱結構強度。

水分配器采用與背板前支撐板一體式設計，用于安裝和支撐背板的作用，水分配器將進出口液體通過盲插通徑流體連接器分別分配到各個插件中，同時進行導出液體。

機箱內部印制背板固定于水分配器背面，保證了通液插件上的液冷連接器和背板電連接器的同時插合;為了防止水接頭在插合過程中因漏液導致電連接器短路，設計水電分離：在水分配器上設計一個排水槽，當插合處漏液時，液體漏在排水槽內部，順勢流到左側板處，沿左側板流下，而不會直接滴落到插件上。結構如圖所示。

本液冷機箱的液冷管路主要用于連接水分配器與機箱入液、回液連接器，其中液冷管路由法蘭內襯套、壓接套以及特氟龍軟管通過壓接工藝制備而成。液冷管路一端固定于水分配器處，一段固定在機箱左側板上，通過法蘭內襯套處安裝的0型圈實現流體的密封，為了避免使用過程中液冷管路的擺動使用捆扎帶將管路固定在機箱側壁的固定法蘭盤上。

機箱前后面板主要作用是密封機箱，同時機箱中的模塊存在常插拔的情況，機箱前后面板要有易拆裝的特點。基于這兩點，機箱前后面板均采用松不脫螺釘連接，且在前后面板和機箱的接觸面中加裝復合導電膠條。機箱要滿足淋雨和電磁屏蔽要求。詳細結構見下圖。

2機箱焊接設計

液冷機箱需焊接部位為焊接框架和內部插件。框架為結構件無流道起結構支撐作用，材料選用6063，框架焊接方式為真空釬焊;插件選用5A06防銹鋁，焊接方式為電子束焊接。

焊接框架由上下及左右板構成，框架選用材料為鋁合金6063，焊接性能好，提高結構強度，保證機箱的支撐和密封作用。插件中冷板的焊接采用5A06電子束焊接，5A06耐腐蝕性能好，采用電子束焊接殘余應力小，焊接件不易變形，且無其他焊接雜質進入流道。水分配器采用深孔鉆和電子束焊接相結合的方式進行加工，深孔鉆的加工方式保證了工件的密封性、可靠性高，采用電子束焊接對深孔進行封焊，焊接強度高，提高了水分配器的可靠性。

3機箱環控設計

為了減小計算量，對機箱和插件模型進行簡化，去掉模型中不參與熱傳導的零部件，并按照模型實際傳熱對模型進行簡化，簡化后的模型外形尺寸與模塊外形尺寸一致，模型如圖。

液冷機箱邊界條件參數設置如下，入液流量為5.24L/min，出口壓力為一個標準大氣壓。

當液冷機箱流量為5.24L/min時，機箱內部流道最大流阻約為24.6KPa。當液冷機箱流量為5.24L/min時，機箱流道內最大流速約為3.14m/s。

通過液冷機箱整體熱仿真分析可知，當冷卻液流量為5.241Mmin，外部環境為40℃時，機箱內部流道最大流阻約為24.6KPa，此外當流量為0.37L/min時（即14塊插件流量均相等）每對盲插通徑流體連接器流阻約為4.2KPa，當流量為5.24L/min時每對卡口式通徑流體連接器流阻約為7.2KPa，因此計算可得機箱整體最大流阻約為47.4KPa。模塊流量分配均勻，流阻<60KPa符合機箱流阻使用要求。此時機箱流道內最大流速約為3.14m/s。

針對液冷流量浮動±10%情況下，對機箱模型進行仿真，液冷流量為5.24L/min，當流量向上浮動10%時，液冷流量為5.764L/min，此時保持其余條件均不變，機箱的流阻情況見下圖所示。

由上圖可知，當機箱流量為5.764L/min時，機箱流阻（除流體連接器流阻）約為29.3KPa，此時機箱內部最大流速為3.445m/s。此外當流量為0.41L/min時（即14塊插件流量均相等）每對盲插3通徑流體連接器流阻約為4.5KPa，當流量為5.764L/min時每對卡口式8通徑流體連接器流阻約為8KPa，因此計算可得機箱整體最大流阻約為54.3KPa。模塊流量分配均勻，流阻<60KPa符合機箱流阻使用要求。

通過DBF液冷機箱整體熱仿真分析可知，當冷卻液流量為5.24L/min，外部環境為40℃時，與印制板上熱功耗元器件接觸的DBF插件冷板的最大溫度為63.16℃，DBF模塊上熱功耗元器件中最低要求的最大耐受殼溫為85℃，仿真結果符合熱功耗元器件中殼溫的要求。此時DBF液冷機箱內部流道最大流阻約為47.4KPa（包括進出口接頭），仿真結果符合技術協議中機箱流阻滿足<60KPa的要求。此時機箱流道內最大流速約為3.14m/s。

針對流量±10%浮動仿真可知，當流量向上浮動10%時，液冷流量為5.764L/min，此時保持其余條件不變，機箱整體內部流阻最大約為54.3KPa，仿真結果符合技術協議中機箱流阻滿足<60KPa的要求。當流量向下浮動10%時，液冷流量為4.716L/min時，保持其余條件不變，與印制板上熱功耗元器件接觸的DBF插件冷板的最大溫度為65.17℃。DBF模塊上熱功耗元器件中最低要求的最大耐受殼溫為85℃，仿真結果符合熱功耗元器件中殼溫的要求。

4機箱強度設計

機箱主要由機箱框架、分水器組成，機箱框架由底板、左右側板和中隔板焊接形成，底板通過螺釘將其和機箱框架固定。模型計算采用有限元軟件Hyperworks進行。模塊創建包括建立單元類型、賦予材料屬性、施加載荷和邊界條件、定義求解器所需的控制卡片、求解、結果查看（后處理）等各類滿足求解所需的信息，其中后處理是查看求解結果的過程，可以輸出位移、應力以及加速度等結果。建立的有限元模型如下圖：

液冷機箱的沖擊工況為后峰鋸齒波，峰值加速度為20g，六個方向，每個方向3次進行沖擊試驗。

依據結構設計的力學環境及其評估準則等設計要求，對機箱進行了強度分析，其中包括模態分析、沖擊分析和振動分析，依據結果計算了結構的安全裕度。經過仿真計算，機箱整體剛強度符合設計要求，并有一定的設計余量。

5結語

本文設計了一種基于通液插件的液冷基線個，采用使用水分配器聯合液冷管路的流道設計，機箱可安裝14個液冷插件，通過熱仿真及力學仿真方法對機箱設計有效性進行了驗證，結果表明，機箱設計與仿真值偏差較小，設計方法可行。