某機(jī)載LRM 模塊測試設(shè)備雙循環(huán)液冷設(shè)計

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1006-0316（2025）08-0074-07

doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.08.012

Design for Dual-Circulation Liquid Cooling of an Airborne LRM Module Test Equipment

LIUXiaowei，LIHeng，JIANGJinchen （The30thResearch InstituteofCETC，Chengdu 610041， China）

Abstract ∵ This paper presents the structural and thermal design of a liquid cooling test equipment for airborne LRM modules. It elaborates on the design details of the intermal and external liquid cooling circulation systems， which meet the requirements of miniaturizationand high heat dissipation through operational mode switching.In termsof structural design，the paper discussskeyconsiderations for modular design，structural rigidity， waterproof sealing，and surface protection of airborne liquid-cooling equipment， using the LRM module test equipment asanexample.A metal belows expansion tank is designed to fully isolate the liquid from the external environment，accommodating thermal expansion and contraction within a temperature range of -55 to 85^°C ，and ensuring stable operation under vibration and shock conditions with unfixed gravitational orientation. For thermal design，calculations andsimulations are conducted for both internal and external liquid cooling cycles.A dual-fluid （air/liquid） co-simulation method using 6SigmaET is introduced.Experimental measurements confirm the effectivenessofheat dissipation，validating its suitability for production debugging， environmental testing，and reliability testing of airborne LRM modules.The test equipment has been successfully deployed in practical applications，meetingall design requirements. Key words ∵ liquid coolingistructural design； thermal design ; 6SigmaET

隨著電子設(shè)備功耗越來越高，對電子設(shè)備的散熱也提出了越來越高的要求。液冷比空氣冷卻效率高出 100～2000 倍，可以解決大功率、高熱流密度機(jī)載電子設(shè)備的散熱問題，但系統(tǒng)較為復(fù)雜。為達(dá)到預(yù)期的散熱能力，需進(jìn)行液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計。

結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)條件和使用環(huán)境條件，對整機(jī)的組裝進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)思，并對各分系統(tǒng)和功能性單元提出設(shè)計要求和規(guī)劃[1]。熱設(shè)計的目的是控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過規(guī)定的最高允許溫度[2]。機(jī)載電子設(shè)備在結(jié)構(gòu)上需要小型化和模塊化，并滿足環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求[3-4]，散熱上需確保熱量能夠順利地散發(fā)出去。

目前中大型液冷散熱系統(tǒng)常采用液冷源與設(shè)備相互獨(dú)立的設(shè)計，設(shè)備的熱量最終通過液冷源散發(fā)到環(huán)境中。孫之虎等5設(shè)計了壓縮制冷式的方艙式液冷源，為大型可移動電子設(shè)備散熱，尺寸為 12192mm×2438mm×2591mm 吳本南等設(shè)計了安裝在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)部的壓縮制冷式的液冷系統(tǒng)，尺寸 548mm×340mm× 355.6mm ，可為單臺或多臺液冷插箱提供冷卻液。張亞環(huán)等7設(shè)計了一種機(jī)載電子設(shè)備液冷機(jī)箱，由外部液冷源供液，上下雙層排布。苗力[8提出一種側(cè)壁液冷式機(jī)載電子設(shè)備，由外部液冷源供液。梁國等9設(shè)計了機(jī)載電子設(shè)備液冷機(jī)架，尺寸為 800mm×580mm×530mm， 由外部液冷源供液。陳甲朋等[10使用有限元軟件對液冷機(jī)箱的散熱效果進(jìn)行了計算。自前中小型液冷散熱系統(tǒng)會將液冷源合并到單機(jī)設(shè)備內(nèi)。趙亮等[將非壓縮制冷的液冷源設(shè)計在一個標(biāo)準(zhǔn)1ATR機(jī)箱內(nèi)，對液冷系統(tǒng)各組成部分的小型化進(jìn)行了探討。林蘭修等[12]將非壓縮制冷的液冷源設(shè)計在一個標(biāo)準(zhǔn)3U機(jī)箱內(nèi)，冷板在中間，熱源在機(jī)箱上部，控制電路在機(jī)箱下部，設(shè)計水箱控制液體熱脹冷縮的影響，并對風(fēng)量和液量進(jìn)行了單獨(dú)計算仿真。

液冷源與設(shè)備相互獨(dú)立的液冷系統(tǒng)為外部循環(huán)液冷，雖然散熱效果好但占用空間較大，不適合小型化應(yīng)用。液冷源設(shè)計在設(shè)備內(nèi)部時為內(nèi)部循環(huán)液冷，雖然可以小型化但散熱能力有限，且因為功能集中、系統(tǒng)復(fù)雜，模塊化程度普遍較低。為保證內(nèi)部液體熱脹冷縮時系統(tǒng)也能正常工作，液冷系統(tǒng)中通常會設(shè)計水箱或泄壓閥。但水箱會通過透氣閥與外界交換氣體，當(dāng)設(shè)備使用中重力方向不固定，振動、沖擊可能會導(dǎo)致氣體進(jìn)入液體管路，導(dǎo)致散熱能力降低或失效；若采用泄壓閥，多次溫度循環(huán)會導(dǎo)致內(nèi)部液體總量減少，振動、沖擊時也會導(dǎo)致相同的問題。熱設(shè)計方面，內(nèi)部循環(huán)液冷多是對風(fēng)冷部分和液冷部分進(jìn)行單獨(dú)仿真，然后再合并計算，仿真計算工作量較大。

因此，本文根據(jù)機(jī)載電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求，在一個設(shè)備內(nèi)既實現(xiàn)了內(nèi)部循環(huán)液冷，又可外接液冷源進(jìn)行外部循環(huán)液冷，通過工作模式切換，滿足小型化和高散熱效果要求，結(jié)構(gòu)上模塊化程度較高。同時采用了一種液體與外界完全隔離的金屬波紋管膨脹罐，可以讓液冷系統(tǒng)在重力方向不固定的振動、沖擊環(huán)境下正常工作。熱設(shè)計時采用6SigmaET進(jìn)行風(fēng)、液雙流體綜合仿真，該方法簡單，且仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)接近，可以為類似機(jī)載設(shè)備液冷設(shè)計提供參考。

1工作原理

1.1要求

某機(jī)載LRM（Loadable ReplaceableModule，可加載可更換模塊）安裝在液冷機(jī)架上，熱耗約 44W_?"。通過位于模塊兩側(cè)的肋片將熱量傳導(dǎo)至液冷機(jī)架，肋片與機(jī)架的接觸面為模塊的熱沉，溫度約 70^°C ，最高工作環(huán)境溫度為 75^°C 生產(chǎn)調(diào)試時，環(huán)境溫度約 25^°C 。測試設(shè)備需要和其處于同一空間，經(jīng)受機(jī)載LRM模塊相同的使用環(huán)境指標(biāo)。

1.2工作原理

根據(jù)使用要求設(shè)計了內(nèi)部和外部雙循環(huán)液冷系統(tǒng)。如圖1所示，系統(tǒng)包含熱源（機(jī)載LRM模塊）、冷板等。環(huán)境溫度約為 25^°C 時，關(guān)閉外液冷閥，打開液冷切換閥，由內(nèi)部循環(huán)液冷進(jìn)行散熱；環(huán)境溫度 75^°C 時，關(guān)閉液冷切換閥，打開外液冷閥，由試驗箱外的獨(dú)立液冷源進(jìn)行散熱。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1外形尺寸

測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式和尺寸受到內(nèi)部電路板互聯(lián)、大量電纜走線及液冷系統(tǒng)等因素的制約，主體設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)19英寸上架機(jī)箱，高度4U，深度 480mm

2.2整機(jī)組件構(gòu)成

圖1工作原理圖

測試設(shè)備采用模塊化設(shè)計，各模塊通過互相插合并固定實現(xiàn)電氣、液冷和機(jī)械快速連接。如圖2所示，其組成包括：機(jī)載LRM模塊（16個）、測試模塊（2個）、機(jī)箱組件等。背板組件安裝在機(jī)箱組件中間，機(jī)載LRM模塊從機(jī)箱前面與背板盲插式硬連接，測試模塊從機(jī)箱后面與背板盲插式硬連接，機(jī)載LRM模塊和測試模塊通過背板進(jìn)行電氣互聯(lián)。液冷模塊從機(jī)箱后面與機(jī)箱組件盲插式液冷硬連接，機(jī)載LRM模塊的電源和低速信號通過背板轉(zhuǎn)接到后面板，液冷模塊的風(fēng)機(jī)、泵等線纜軟連接到后面板，實現(xiàn)機(jī)載LRM模塊、測試模塊、背板組件、液冷模塊和后面板組件的互聯(lián)互通。各模塊間的信號連通完全在整機(jī)內(nèi)部實現(xiàn)，外部不需要任何電纜連接，視覺效果簡潔緊湊。

圖2結(jié)構(gòu)布局

2.3液冷模塊

如圖3所示，液冷模塊包含風(fēng)一液換熱器（2個）安裝在液冷底座中間，泵組件 （2個）安裝在左后側(cè)，膨脹罐組件（2個）安裝在右后側(cè)。

圖3液冷模塊

機(jī)載LRM模塊的熱量被上下導(dǎo)軌內(nèi)的液體帶到換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換。換熱器采用板式結(jié)構(gòu)，冷板的液道為蛇形，布置在正面，冷板的風(fēng)道為直通，布置在背面，冷板之間布置密封隔離板，疊層真空釬焊后加工進(jìn)、出液孔。

2.4冷卻液和膨脹罐

根據(jù)工作溫度、存儲溫度、熱負(fù)載及設(shè)備液冷特性，考慮冷卻液的冰點、沸點、介電常數(shù)、損耗系數(shù)、閃點、燃點、毒性、化學(xué)穩(wěn)定性和相容性，在成本承受能力范圍內(nèi)比較冷卻劑的品質(zhì)因素，測試設(shè)備選用65號冷卻液[13]。

測試設(shè)備的流道分為上下獨(dú)立的兩部分，上流道對上導(dǎo)軌散熱，下流道對下導(dǎo)軌散熱，每部分都包含膨脹罐、換熱器和泵，上下流道結(jié)構(gòu)形式互為鏡像。抽取上流道內(nèi)的冷卻液進(jìn)行分析，如圖4所示。

65號冷卻液配比為 60% 乙二醇（體積膨脹率 0.00057^°C^-1. ， 40% 水（體積膨脹率0.000208^°C^-1） ，以及微量抗氧、抗泡、防腐、緩蝕等添加劑。其在 .55～85"^°C 溫度范圍內(nèi)工作時， -55^°C 時體積為 306402mm³"，膨脹后體積增加 18239mm³"。膨脹罐如圖5所示，其直徑為 35mm ，數(shù)量為2個。計算可得，液體膨脹所需壓縮長度約 9.5mm_?"。盲插式流體連接器TSF-5單次插拔最大泄露 5mm³"，插拔壽命1000次，使用4個，壽命區(qū)間內(nèi)泄露量所需壓縮長度約為 10.4mm 液體膨脹和流體連接器泄露合計需要 19.9mm ，選擇敏感類波紋管[14]，波距3.2，單波最大允許軸向位移士 =1.26mm ，膨脹罐設(shè)計長度大于 51mm ，即可滿足要求。為減少管內(nèi)鹽霧腐蝕，選用 QPF8×0.75 防水透氣閥進(jìn)行表面防護(hù)。

圖5膨脹罐

圖4上流道內(nèi)的冷卻液

測試設(shè)備主體材料采用6061鋁合金，液體管路除密封圈外其他零部件采用金屬材料，設(shè)計膨脹罐代替水箱或泄壓閥，既滿足 -55～ 85^°C 溫度范圍內(nèi)液體的熱脹冷縮需求，又保證液體與外界完全隔離，可以讓液冷系統(tǒng)在重力方向不固定的振動、沖擊環(huán)境下正常工作。各模塊采用真空釬焊保證結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和防水密封性，外表面采用靜電噴塑保護(hù)。經(jīng)試驗驗證，測試設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足機(jī)載設(shè)備振動、沖擊、濕熱和鹽霧要求。

3熱設(shè)計

機(jī)載LRM模塊熱耗 44W ，設(shè)計16個槽位共計 704W 。模塊通過緊固鎖緊條與機(jī)箱的上下導(dǎo)軌緊密貼合，將熱量傳至導(dǎo)軌內(nèi)的液體。外部循環(huán)時由獨(dú)立液冷源進(jìn)行散熱，內(nèi)部循環(huán)時在內(nèi)置換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，由風(fēng)機(jī)將熱量帶走。

3.1外部液冷循環(huán)

已知模塊內(nèi)部芯片熱耗 ⁴⁴W ，許用殼溫125^°C ，芯片到模塊肋片傳導(dǎo)熱阻為 模塊肋片與上下導(dǎo)軌接觸面積為 0.003042m² 兩者表面粗糙度均為 3.2μm， 簡化為氣隙進(jìn)行計算。根據(jù)葉發(fā)亮等[15]的研究，模塊與導(dǎo)軌的接觸熱阻為 0.0356^°C/W. ，傳導(dǎo)和接觸熱阻合計 0.4356^°C/W 。計算可得，芯片到機(jī)箱導(dǎo)軌的溫升約為 19.2^°C 。由外部液冷源對導(dǎo)軌進(jìn)行冷卻，液體溫度 70～71.5^°C 時芯片最高溫度為90.7^°C 。

強(qiáng)迫冷卻計算公式為：

式中： q_m 為質(zhì)量流量； ? 為熱流量； C_p 為流體的定壓比熱容； Δt 為流體的進(jìn)出口溫度差；ρ 為流體密度； q_v 為體積流量。

已知模塊總熱量 ?=704W ，65號冷卻液 ρ=1062kg/m³ . C_p=3303J/（kg?^°C） ，假設(shè) Δt ≈1.5^°C ，則計算得： q_v≈1.3e^-4m³/s≈8L/min_。

利用專業(yè)熱仿真軟件6SigmaET進(jìn)行熱分析。環(huán)境溫度為 75^°C ，液體入口溫度為 70^°C 上下導(dǎo)軌流量各 4L/min （流量合計 8L/min） ，模塊熱耗 44W 按上述位置進(jìn)行安裝。環(huán)境試驗和可靠性試驗時選擇外部2U液冷源，其主要參數(shù)為：額定散熱功率為 1.5kW ；額定流量為28L/min ；最高供液壓力為 0.3MPa ；供液溫度? 環(huán)境溫度 +30^°C ，滿足液冷系統(tǒng)壓力和流量要求。仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6外循環(huán)壓力分布

可以看出，系統(tǒng)壓損為 0.079MPa ;液體入口溫度為 70^°C ，液體出口溫度為 71.3^°C ，熱源芯片殼溫為91 ^°C ，約為許用殼溫 125^°C 的73% ，滿足機(jī)載電子元器件降額使用要求。

圖7外循環(huán)芯片和流道切面溫度

3.2內(nèi)部液冷循環(huán)

生產(chǎn)調(diào)試時采用內(nèi)部循環(huán)模式，芯片熱量由液體帶到內(nèi)置換熱器內(nèi)進(jìn)行熱交換，最終由風(fēng)機(jī)將熱量帶走，生產(chǎn)調(diào)試環(huán)境溫度約 25^°C

模塊總熱量為 704W ，采用2個內(nèi)部循環(huán)泵，每個熱耗 24W ，合計 752W 。紊流時輻射量占比很小，假設(shè)熱量全部由液體帶至換熱器，并由風(fēng)機(jī)帶走，風(fēng)機(jī)和泵參數(shù)預(yù)選如下。

對于空氣， Φ=752W ： ρ=1.093kg/m³ C_p=1.005kJ/（kg?^°C） ，假設(shè) Δt=7^°C ，則代入式（1）計算得： q_v≈208 CFM Ω_（1CFM^′≈28.32 L/min） 。

因換熱器風(fēng)阻較大，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口各安裝4個6038風(fēng)機(jī)，型號為J55FZW59-38G，其最大風(fēng)量為 110CFM ，預(yù)計風(fēng)機(jī)工作于風(fēng)量一風(fēng)壓曲線的中段約為55CFM，合計風(fēng)量約為220CFM

對于液體（65號冷卻液）， ρ 、 C_p 取值與 3.1節(jié)相同，假設(shè) Δt=3^°C ，則代入式（1）計算 得 q_v≈4L/min

系統(tǒng)壓力損失是沿程阻力損失和局部壓力損失之和，仿真計算當(dāng)單泵流量為 2L/min （兩泵合計 4L/min） ）時，系統(tǒng)壓力損失約為0.02MPa 選用離心泵YBM24B，壓頭 0.4MPa， 根據(jù)泵的流量一壓力曲線，流阻 0.02MPa 時流量 10L/mingt;2L/min ，可以滿足系統(tǒng)壓力損失要求。

利用6SigmaET進(jìn)行熱分析，環(huán)境溫度為25^°C ，單泵流量控制為 2L/min （兩泵合計4L/min） ），風(fēng)機(jī)按風(fēng)量一風(fēng)壓曲線進(jìn)行設(shè)置，模塊熱耗按前文設(shè)置。在6SigmaET中設(shè)置泵的參數(shù)，“熱定義”選擇“固定排熱”，“排熱”值輸入 ^′′24ΔW^′′ 模擬單泵熱耗 24W ，進(jìn)行風(fēng)、液雙流體綜合仿真，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8內(nèi)循環(huán)風(fēng)一液流體溫度

圖9內(nèi)循環(huán)芯片和流道切面溫度

可以看出，對液體來說，泵進(jìn)出口壓差為0.02MPa ，換熱器入液溫度 44.8^°C ，出液溫度42.9^°C 。風(fēng)機(jī)工作于風(fēng)量一風(fēng)壓曲線的壓力側(cè)，風(fēng)量為41CFM，進(jìn)風(fēng)口溫度 25.7^°C ，出風(fēng)口溫度 34.8^°C 。此時芯片殼溫為 69.4^°C 小于許用殼溫 125^°C ，滿足生產(chǎn)調(diào)試時芯片散熱要求。

4驗證

測試設(shè)備采用內(nèi)部液冷循環(huán)時情況較為復(fù) 雜，需進(jìn)行驗證。內(nèi)部液冷循環(huán)驗證時安裝16 個機(jī)載LRM模塊，每個模塊內(nèi)部安裝1片44W 發(fā)熱電阻模擬熱源芯片，內(nèi)部循環(huán)泵2個，每個泵熱耗 24W ，熱耗合計 752W 。8個風(fēng)機(jī)功率合計 137W ，系統(tǒng)總功率 889W。

熱電偶布置在熱源芯片、上導(dǎo)軌、上泵、上膨脹罐、風(fēng)機(jī)入口、風(fēng)機(jī)出口和遠(yuǎn)離測試設(shè)備的環(huán)境中。流量計串接在內(nèi)循環(huán)流道內(nèi)。測試設(shè)備驗證系統(tǒng)如圖10所示。

圖10測試設(shè)備驗證系統(tǒng)前面圖

內(nèi)部液冷循環(huán)時，實測流量波動范圍為1.7～1.9L/min ，測量過程中環(huán)境溫度在 23^°C 到 25^°C 交替變化。對比實測和仿真結(jié)果，如表1所示。可以看出，實測溫度略低于仿真溫度。經(jīng)分析，這是因為仿真時未考慮熱輻射因素，實際工作時有小部分熱量通過輻射發(fā)散到環(huán)境中，如果計入輻射發(fā)散因素，則實測和仿真溫度數(shù)據(jù)基本吻合。

表1實測和仿真結(jié)果對比

5結(jié)語

介紹了機(jī)載LRM模塊液冷測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱設(shè)計，詳細(xì)敘述了內(nèi)部液冷循環(huán)和外部液冷循環(huán)的設(shè)計細(xì)節(jié)，通過工作模式切換滿足小型化和高散熱要求。結(jié)構(gòu)方面介紹了液冷設(shè)備模塊化設(shè)計方法，并設(shè)計了一種金屬波紋管膨脹罐，保證液體與外界完全隔離，滿足.55～85^°C 溫度范圍內(nèi)液體的熱脹冷縮需求，讓液冷系統(tǒng)能在重力方向不固定的振動、沖擊環(huán)境下正常工作。經(jīng)試驗驗證，測試設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足機(jī)載設(shè)備振動、沖擊、濕熱和鹽霧要求。熱設(shè)計方面分別對內(nèi)部液冷循環(huán)和外部液冷循環(huán)進(jìn)行了計算和仿真，采用6SigmaET進(jìn)行風(fēng)、液雙流體綜合仿真，并對測試設(shè)備實物的散熱效果進(jìn)行了實際測量。測量結(jié)果表明，測試設(shè)備的設(shè)計可以滿足機(jī)載LRM模塊生產(chǎn)調(diào)試、環(huán)境試驗和可靠性試驗時的散熱要求。

該測試設(shè)備已經(jīng)進(jìn)行了實際應(yīng)用，在應(yīng)用中滿足設(shè)計要求。

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