一種基于VITA標準的穿通液冷模塊的設計

2021-03-19 03:14:14陳旭

環境技術 2021年1期

陳旭

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

VITA標準模塊最早是由以Motorola公司為首的幾家公司于1981年推出的一種支持多處理器計算機系統的通用模塊背板架構標準。它結合了Motorola的 VERSA 總線和歐卡模塊機械規范, 定義了標準的印制電路板尺寸, 并帶有標準的連接器接口用于連接PWB和背板, 每塊VME背板根據需要可有2～21個插槽, 每個模塊通過插槽與背板連接, 模塊之間的數據交換通過背板完成[1]。

隨著功能模塊的耗散功率越來越大，模塊的功耗由幾十瓦到上百瓦，強迫風冷機架越來越不能解決機架中功能模塊的散熱問題。而更大的功耗，則往往需要采用液冷機架才能滿足模塊的散熱。機載綜合液冷機架將各種功能模塊高度集成，將其結構形式規范化，統一機械安裝接口、電氣結構和液冷接口，這樣對實現機載設備模塊的三化具有極其重要的意義。

1 設計要求

模塊設計要求主要包括：

1）模塊滿足VITA標準的結構形式；

2）模塊在正常供液條件下（穩態），能持續正常工作；

3）模塊在應急工作狀態下（斷液），能持續工作15 min以上。

2 模塊結構設計

2.1 模塊外形尺寸

基于Vita標準的模塊基本尺寸為：160 mm（長）×233.4 mm（寬）×X mm（厚），模塊的厚度通?？梢允?0 mm、24 mm、30 mm等規格，如圖1所示為一個30 mm厚的模塊。

2.2 模塊組成

基于VITA標準的穿通液冷模塊的組成如圖2所示，主要包括起拔器、鎖緊條、對外連接器、流體連接器、印制板和模塊結構件。

3 散熱設計

模塊所在的機架中，幾個主要發熱模塊功耗達到100 W甚至150 W，散熱量巨大，根據過往的工程經驗，此類模塊需采用穿通液冷方式進行散熱[2]。機架將來自液冷循環系統的冷卻工作介質直接通入LRM模塊冷板，模塊內部元器件產生的熱量由模塊冷板通過傳導方式實現熱交換，由冷卻工作介質將熱量帶走，如圖3所示。

模塊內部傳熱結構基本相同。對于多數芯片，模塊采用冷板上加凸臺的導熱方式，縮短熱路通徑，同時降低擴散熱阻，使得多數熱量從冷板路徑散出，減少傳熱溫差，降低芯片溫度。

在使用凸臺導熱時，突臺頂部均設置了0.5～2 mm不等的導熱襯墊，以消除接觸間隙，減少接觸熱阻。其在30～40 %左右的壓縮量下，接觸熱阻控制在1e-4～5e-4（ m2.K/W）左右。

4 熱仿真

4.1 仿真條件

機架采用冷卻液為65號防凍冷卻液，環境溫度考慮最高工作溫度70 ℃，冷卻液入口溫度為40 ℃，工作壓力1.2 MPa，耐壓要求為1.8 MPa。為保證機架內模塊流量匹配，對模塊的流阻要求如下：

常溫（20±5）℃流量為1 LPM（升/分鐘）時，流阻范圍1.5 bar±30 %。(包含液冷接頭)，模塊供液溫度40 ℃，流量 0.3 L/min。

4.2 某典型信號模塊熱仿真

以某典型信號模塊為例，其基本穿通液冷通道如圖4所示。

仿真計算時，為了模擬實際狀況，將該模塊和其左右兩個模塊一起進行計算，并添加上下機架和前后面板，模塊間距3 mm，如圖5所示。

信號模塊的各主要器件熱物理參數如表1所示，信號模塊主要包含載板和子卡，載板和子卡上的其他發熱器件熱物性參數在此不列出，熱詳細耗分布情況如圖6所示，（總熱耗為117 W）。信號處理模塊一側為數據模塊，另一側為主控模塊。冷卻液流量：0.3 L/min。

圖1 模塊外形尺寸

圖2 模塊組成

圖3 冷卻液循環路徑圖

圖4 模塊液冷通道示意圖

載板：數量1張，熱功耗為68 W，圖6左所示；子卡：數量2張，單板熱功耗為24.5 W，總功耗為49 W，如圖6右所示。

為了得到斷液15 min時的結果，將模塊分為兩個部分進行仿真：第一，在有液冷的條件下進行穩態仿真（使用65#防凍液進行冷卻，流量：0.3 L/min，供液溫度40 ℃）；第二，載板上的芯片3，芯片4關閉，其余器件工作正常，相鄰的數據模塊熱耗變為20 W，主控模塊熱耗變為40 W。并保持環境溫度等邊界條件不變，冷卻液停止流動，并以第一步的穩態仿真結果作為初始條件進行物理時長為15 min的瞬態仿真。

4.2.1 穩態仿真結果

穩態仿真結果如圖7所示。通過仿真結果并計算可以看到，所有已知熱物理參數的器件其計算結溫都在許用值以內。

TJ（結溫）=Tc（殼溫）+Q（熱耗）×θJc（結殼熱阻）[3]