側(cè)壁液冷機箱熱性能測試

白振岳，楊明明，趙亮

（中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，西安 710068）

0 引言

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，由于液體冷卻較空氣冷卻換熱效率高100～2 000 倍，因此液冷對電子器件的熱管理具有得天獨厚的優(yōu)勢。液冷技術(shù)已經(jīng)在美國某型號航電系統(tǒng)成功應(yīng)用，其航電系統(tǒng)中核心處理機、通訊導(dǎo)航電子站、雷達等電子設(shè)備均采用機箱/架槽道液冷結(jié)構(gòu)。國內(nèi)目前還沒有電子設(shè)備液冷應(yīng)用方面的相關(guān)規(guī)范，對液冷機箱/架的熱性能仿真較多，測試研究相對較少。本文以液冷機箱為平臺，以ASSAC 模塊結(jié)構(gòu)為載體，測試液冷機箱的散熱性能，為后續(xù)設(shè)計工作提供指導(dǎo)。

1 液冷測試系統(tǒng)

液冷系統(tǒng)分為直接液冷系統(tǒng)和間接液冷系統(tǒng)，直接液冷系統(tǒng)是冷卻液直接與發(fā)熱電子器件接觸，電子器件將耗散熱量直接傳給液體，由冷卻液傳給壁面最后散發(fā)出去，對冷卻液純度要求較高，長時間使用會帶來腐蝕問題。間接液冷系統(tǒng)可避免電子器件與液體直接接觸，減少了電子器件本身的污染，便于采用散熱效果更好的冷卻液。

間接液體冷卻一般由液冷電子設(shè)備、冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成。液冷電子設(shè)備主要由液冷機箱/架、電子模塊等組成；冷卻循環(huán)系統(tǒng)由液冷泵、循環(huán)管路、液冷接頭、換熱器及儲液箱組成。本文采用的液冷測試系統(tǒng)主要由電子設(shè)備、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成，測試系統(tǒng)如圖1 所示，增加了流量監(jiān)測和溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 間接液冷測試系統(tǒng)

液冷機箱/架內(nèi)電子模塊主要由結(jié)構(gòu)件、2 塊PCB、鎖緊條、導(dǎo)熱墊等組成，在PCB 上均布發(fā)熱電阻，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。熱量從芯片經(jīng)導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)至模塊冷板，再由模塊冷板傳導(dǎo)至液冷冷板，其中模塊冷板及液冷冷板起支撐保護和熱交換的雙重作用，最終通過液體將熱量帶出電子設(shè)備。

電子設(shè)備的熱測試方法有接觸式和非接觸式，接觸式測溫常用的有熱敏電阻傳感器法、熱電偶傳感器法、鉑電阻傳感器法、集成電路溫度傳感器法、光纖溫度傳感器法等；非接觸式測溫常用的設(shè)備是紅外測溫儀、熱像儀等，其優(yōu)點是使用方便且不影響被測件溫度場。但由于器件材料、表面質(zhì)量等因素的影響，測量誤差相對較大，另外對于封閉式的電子設(shè)備很難實現(xiàn)。而接觸式測溫有精確、可靠的特點，對封閉在殼體內(nèi)的各種組件、器件的溫度測量和遠距離多點的溫度測量多采用這種方法，其中熱電偶傳感器法因響應(yīng)速度快、測溫精度較高得到廣泛應(yīng)用。因此本次試驗測試選用K 型熱電偶對模塊內(nèi)溫度進行檢測，電子模塊內(nèi)發(fā)熱器件布局及監(jiān)測點布局如圖3。

圖2 電子模塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 模塊內(nèi)熱電偶布局

2 熱性能測試

2.1 不同功耗下模塊最高溫度

按照上述測試系統(tǒng)對模塊在不同功耗下溫度進行測試，單板功耗由10 W 逐步遞增至100 W，模塊功耗由20 W逐步增加至160 W。供液溫度選取為30℃，按VITA47 標準中108.9 kg/kW·h 提供冷卻液流量。模塊內(nèi)部測試所得最高溫度及平均溫度結(jié)果見表1、圖4。

表1 不同功耗時模塊器件溫度

圖4 不同功耗模塊溫度

由以上模塊測試數(shù)據(jù)可以看出，在供液溫度為30℃，室溫環(huán)境下，模塊在單板功耗80 W、總功耗為160 W 時PCB1 側(cè)最高溫度為122.3℃，可滿足軍品級元器件溫度要求；在單板功耗40 W、模塊總功耗80 W 情況下最高溫度為80.4℃，可滿足工業(yè)級元器件溫度要求。

2.2 冷卻液溫度對器件溫度的影響

對比冷卻液入口溫度的改變對模塊器件溫度的影響。在實驗室環(huán)境下，液冷機箱供液流量和內(nèi)部模塊壁厚不變的情況下，選取冷卻液循環(huán)設(shè)備供液溫度在10℃、20℃、30℃進行實際測試，模塊在80 W 的測試結(jié)果見表2，模塊在160 W 的測試結(jié)果見表3。

由以上測試可以看出，冷卻液溫度對模塊內(nèi)器件溫度有明顯的影響。器件溫升與液冷機箱入口冷卻液溫升基本相當。當冷卻液溫度每增加10℃，相應(yīng)模塊上器件溫度也基本上增加10℃左右。因此對于液冷機箱，在傳熱阻力不變的情況下，液冷機箱由于具有較高的換熱效率，模塊內(nèi)溫度隨熱沉冷卻液溫度的變化基本為線性變化。

表2 80 W 時不同冷卻液溫度模塊器件實測溫度 ℃

表3 160 W 時不同冷卻液溫度模塊器件實測溫度 ℃

2.3 模塊壁厚對器件溫度的影響

在室溫環(huán)境下，冷卻液入口溫度為30℃，冷卻液流量按標準流量提供，分別測試模塊結(jié)構(gòu)件厚度在1.2 mm、2 mm、4 mm 情況下對器件溫度的影響，流量按標準流量提供。模塊為80 W 的測試結(jié)果見表4，模塊為160 W 的測試結(jié)果見表5。

表4 實測80 W 模塊不同壁厚監(jiān)測點溫度 ℃

表5 實測160 W 模塊不同壁厚監(jiān)測點溫度 ℃

由測試結(jié)果可以看出，模塊壁厚由1.2 mm 逐步增加到4 mm 時，80 W 模塊及160 W 模塊器件溫度均有不同程度的降低，中心部器件溫度較邊緣器件降低更為明顯。改變模塊傳導(dǎo)壁厚相當于減小了液冷系統(tǒng)內(nèi)傳熱熱阻，從而降低了模塊內(nèi)器件溫度。但增加傳導(dǎo)側(cè)厚度也會增加模塊重量，同時隨著壁厚增加的改善效果也越來越不明顯。

3 結(jié)論

通過對液冷機箱在不同功耗、不同冷卻液供液溫度及不同模塊壁厚下的熱測試，結(jié)果表明：

在供液溫度為30℃，室溫環(huán)境下，模塊在單板功耗80W，總功耗為160 W 時印制板器件最高溫度為122.3℃，可滿足軍品級元器件溫度要求；在單板功耗40 W，模塊總功耗80 W 情況下器件最高溫度為80.4℃，可滿足工業(yè)級元器件溫度要求。

改變冷卻液入口溫度、不改變側(cè)壁液冷機箱熱阻情況下，冷卻液入口溫度對器件溫度有直接影響。而增加模塊厚度相當于減小整個液冷系統(tǒng)熱阻，從而器件溫度會得到改善。

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