某艦載產品液冷散熱仿真設計研究

肖偉，陳駿，史亮，王志洪，鄭幸淮

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

電子產品是以電能為工作基礎的相關產品，當電子產品長時間使用就容易發熱。近年來，社會不斷進步，通信技術迅速發展，這些對于現代電子技術均提出了更高要求，均要求電子設備在滿足體積小的基礎上，能夠具備更強的功能，這些勢必會導致裝備的集成度越來越高，發熱量也越來越大。受空間限制和散熱能效的限制，傳統的風冷扇熱設計已經無法適應現代軍事要求。

近年來，單個芯片計算能力的提升速度越來越慢，一方面是半導體技術難度的增加；另一方面是受到散熱的限制。如果芯片的功率再增大，則無法將其接吻控制在正常范圍內，因此無法繼續提升其性能[1]。本文通過某艦載設備的風冷散熱和液冷散熱的仿真測算，分析了兩種設計的優缺點，提出了一種液冷散熱的設計方法。

1 使用條件

本產品需長時間在50 ℃的環境下正常工作，設備整體為19英寸機箱構架，整機由前后面板組件、機箱組件、底板組件、蓋板組件、電源模塊和功能模塊等部分組成，其中功能模塊又分為主控模塊、PCIE交換模塊、存儲模塊等。

2 風冷設計

機箱由左右側板、上下風道板等銑削加工后拼接而成。各主要功能模塊均安裝于機箱內部相應的結構件上。機箱內部功能模塊采用標準VPX形式，模塊分布在機箱插槽上。機箱進風口位于前面板上下側，出風口放置在后面板上；風道采用前進風后出風方式，氣流從前面板進入，然后經由上下到冷板，從后面板出風。熱流通道和功能板卡的熱流方向一致，利于整機散熱。

2.1 熱耗輸入

設備的應用場合為艦載環境，設備整體功耗較大，熱流密度集中度較高，同時為了滿足目標識別設備整體重量的嚴格控制要求，必須在減重及充足熱容量之間尋求合理的平衡性，因此對散熱設計提出了較高的要求，結合技術指標及抗振加固、三防及電磁兼容設計的相關要求，整機采用強迫風冷散熱與傳導散熱相結合的方式綜合考慮散熱設計，整機熱耗預計如表1所示。

表1 整機模塊級熱耗分布

2.2 仿真建模

通過對仿真軟件（Flotherm19.1軟件）的外界條件進行設置，如下：

1）環境設定：標準大氣壓，高溫+50 ℃；

2）機箱材料設定：防銹鋁5A06；

3）冷卻方式：內部導冷，外部風冷。

網格劃分采用智能劃分與局部網格功能相結合的方式，對模塊導熱安裝面、高熱芯片導熱面等局部熱源集中位置使用局部網格區域功能進行細分，增加仿真精度。根據該方案，整機網格數量約268.5萬，經過仿真計算，獲得整機在高溫+50 ℃環境中，正常工作達到熱平衡狀態時機箱及內部模塊的仿真計算云圖如圖2所示，主要溫度曲線如圖3所示。

圖1 產品外形圖

圖2 機箱內部熱仿真計算結果云圖（風冷）

圖3 主要器件溫度計算曲線（風冷）

由仿真計算可知（詳見表2），50 ℃高溫環境下，整機正常工作至熱平衡狀態時，A模塊的CPU芯片和光模塊以及C模塊的電子盤溫度已臨近或超過許用最高結溫，散熱條件無法滿足正常使用要求。

表2 主要熱源器件仿真結果（風冷）

3 液冷改進方案

3.1 改進方案

針對上述設計的缺點，對產品機箱進行設計改進，機箱及內部模塊采用導冷形式，機箱上部和下部安裝獨立水冷板對機箱進行散熱，獨立水冷板通過螺釘與設備上下蓋板安裝連接，機箱整體為密閉設計，機箱液冷板外置安裝，可獨立拆卸維護，上下液冷板之間通過液冷管路進行互聯，液冷連接器由原來的鋁合金材質更改為不銹鋼材質，兩端液冷接頭采用法蘭盤固定，中間軟管采用特氟龍軟管，外層304不銹鋼編織層，整機外觀示意圖如圖4、5所示。

圖4 液冷改進方案示意圖

液冷板流道內嵌銅管壓接固定，銅管折彎后內外壁化學鍍鎳處理，銅管與液冷板管路槽之間涂抹導熱脂進行填隙處理，鎳的耐蝕性優良，可以抵御淡水中Cl-侵蝕，不易發生電化學反應，水冷板壓接設計方案如圖5所示。

圖5 預埋銅管式液冷板方案示意圖

銅管的最小折彎半徑為1.5D，根據設計需求進行定義R角并折彎成形。液體對管道的腐蝕會引起管道損壞，進而導致泄漏[1]。銅管內壁進行化學鍍鎳，鍍鎳層厚度（5～7）um。銅管焊接鍍鎳后需對銅管進行保壓測漏；保壓方式是進行氮氣保壓，做接口工裝充入氮氣，放入水中靜置30 min，觀察氣泡產生，無氣泡產生則表明焊接良好，銅管無漏縫。

銅鋁結合采用壓接方式，并且輔助機械加固方法（螺絲緊固）。壓接前防止內壁有間隙，在內壁涂抹導熱硅脂。流道是用球刀加工成型，流道口徑略小于銅管直徑，采用橡膠錘將銅管敲入流道內。

本次液冷機箱設計改進主要是針對機箱外部液冷板，機箱內部仍然保持密閉設計，整機其他部分設計、材料、表面處理工藝經過歷史試驗驗證，可以滿足技術要求中濕熱、霉菌、鹽霧等艦載指標，由于機箱冷板與液冷板之間增加了一道熱阻，通過導熱脂填隙可盡量減小該熱阻，因此可能產生的影響主要是高溫試驗，因此僅需進行高溫仿真。

3.2 熱仿真測算

對模型進行一定程度簡化（熱流密度保持不變），刪除微小凸臺、孔位等特征，根據產品內部模塊的實際功耗情況（詳見表1），機箱上蓋板與液冷板之間大面用導熱脂進行填充，材料參數如表3所示，進口流量設置為1.2 L/min，供液溫度38 ℃，網格劃分：結構化網格，網格數量約1 100 W。建立以下仿真模型。

表3 材料參數表

經過仿真計算，獲得整機在高溫+50 ℃環境中，通液溫度設定為+38 ℃，正常工作達到熱平衡狀態時機箱及內部模塊的仿真計算云圖如圖6所示，主要溫度曲線如圖7所示。

圖6 設備機箱熱仿真（液冷）

圖7 功能板卡主要器件溫度計算曲線（液冷）

改進后機箱模塊接觸導軌最高溫度為44.2 ℃，改進前為44 ℃，基本保持一致，機箱左側板由于減少了側板流道，機箱左側板溫度由原來的42 ℃上升至48 ℃，機箱溫度變化如圖8所示。

圖8 液冷和風冷機箱仿真對比

由以上仿真結果可知，在50 ℃高溫環境下，設備最大功耗配置狀態運行中，機箱溫度可以保持在50 ℃以內，最高點溫度出現在B模塊的交換芯片上，不超過60 ℃，其余所有模塊芯片的最高溫度均低于85 ℃，均小于一般工業級芯片的允許結溫，滿足散熱要求（具體詳見表4）。

4 結論

綜上所述，在有限的空間，液冷設計能達到預期的散熱效果，且液冷管是金屬件，大大提高了產品的可靠性。同時去除了風機等轉動部件，既可以消除風扇轉動帶來的噪音，節省了風扇能耗，也消除了風扇長期運轉所導致的振動[1]，除微弱的水流聲外，產品工作時基本沒有噪音，也能提高潛艇的隱身性能，在后續裝備的設計中值得廣泛推廣。

表4 主要熱源器件仿真結果（液冷）