一種穿通/傳導冷卻LRM模塊混裝的微流道液冷冷板設計

孫其英

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

綜合模塊化系統具有高度的功能集成性和良好的維修性，是航空機載電子設備的主要結構形式。功能的高度集中對電子設備的散熱能力提出了更高的要求[1]。LRM（Line Replaceable Module）模塊是航空機載產品功能實現的載體，LRM模塊以獨立功能單元的形式安裝在機架上。機架冷板作為傳導冷卻LRM模塊和穿通冷卻LRM模塊的傳熱熱沉，其換熱性能決定了LRM模塊的散熱效果。液冷冷板較風冷冷板具有更強的換熱能力，微流道冷板相對傳統蛇形流道冷板具有更高的換熱效率。當液冷LRM模塊的熱耗超過80 W時一般需要考慮設計成穿通冷卻模塊，傳導冷卻模塊和穿通冷卻模塊混裝的方式在液冷機架中越來越普遍。穿通/傳導液冷LRM模塊混裝的液冷冷板設計需綜合考慮冷板的流道設計和流阻匹配，既要滿足機架的整體散熱需求，又要保證各穿通模塊可以分配到足夠的流量。

1 機架液冷方案

1.1 冷板結構形式

基于焊接強度的要求，液冷冷板內傳統蛇形流道的高度和寬度一般為5～15 mm。較傳統的蛇形流道冷板，微流道冷板可以提供更大的冷卻介質傳熱面積，其換熱面積可達105m2/m3[2]。根據冷板換熱公式（1）[3]，假設冷板換熱系數（h）和冷板總效率（η）一定，相同的溫升（Δt）微流道冷板可以帶走更多的熱量。因此液冷機架擬采用寬流道和微流道相結合的冷板結構。

翅片是微流道的一種實現形式，常規的翅片結構形式有平直翅片、百葉窗翅片、鋸齒翅片和波紋翅片。翅片具有可焊性，在寬流道內鋪設散熱翅片可以提高冷板的整體焊接強度，解決了冷板傳統蛇形流道跨度受限的問題。翅片可以在冷板較小的內部空間提供較大的熱交換面積，在換熱面上有效強化了換熱效果。同時因翅片結構形式的獨特性可以打破冷卻介質流動方向的邊界層，促進形成湍流，從而提高熱交換效率。鋁質翅式液冷板具有散熱效率高、結構緊湊、重量輕、結構強度高的優點，真空釬焊具有良好的力學性能和抗腐蝕性能[4]，因此冷板整體擬采用翅片式寬流道，并通過真空釬焊焊接成型。

1.2 冷板流道設計

針對雙層液冷機架，一般分上、中、下三塊冷板， LRM模塊的熱量由三塊冷板傳導出去。假設該液冷機架有上層兩個，下層一個共三個穿通冷卻模塊，需采用傳導液體冷卻LRM模塊和穿通液體冷卻LRM模塊混裝的散熱方式。綜合考慮冷板內部流道設計與翅片選型對阻力損失大小和內部流體分布均勻性的影響，冷板內部排布采用翅片和加強筋組合的“蛇形”寬流道設計形式。

中冷板的載熱量理論上最大，通過中冷板分別向冷板和穿通冷卻模塊的進行分流，為三個穿通模塊供液。穿通冷卻模塊的進液口在設計時盡量靠近冷板供液入口，以降低機架入口到分流口的靜壓差，使機架入口位置處的靜壓和穿通冷卻模塊上下入口的靜壓一致，為分流口提供較高的靜壓。中冷板流道見圖1。

圖1 中冷板流道示意

穿通冷卻模塊的匯流通過上、下冷板通道實現。上、下冷板內穿通冷卻模塊的液冷出口流道獨立于傳導冷卻模塊的冷板流道，見圖2，并將靠近機架出口位置的流道作為穿通冷卻模塊的液冷出口，穿通冷卻模塊的出液口和機架總出液口位置接近，可以減小機架總出液口和穿通冷卻模塊出液口之間的阻力，降低出液口靜壓，使穿通冷卻模塊內部形成較高的壓差，增加穿通冷卻模塊實際的通液流量。

圖2 上、下冷板流道示意

2 計算/試驗驗證

2.1 熱仿真

液冷機架的供液溫度根據平臺不同由（30～60）℃不等，假設該液冷機架LRM模塊的總熱耗為2000 W，流量按2 L/（min·kW），供液溫度按+60 ℃進行熱仿真。一般液冷介質為65號防凍液，其物理參數如表1所示。通過仿真計算出機架進出口的溫差為7 ℃，如圖 3所示。根據供液量，計算液冷機架每秒進出口的通液質量m=ρ*V=1062×4×10-3/60（kg/s），用比熱容計算公式（2）[5]，可粗略計算冷卻介質的傳熱量Q= C*m *Δt =3303×1062×4×10-3/60×7（J/s）≈1637（W），冷卻介質可帶走機架近82 %的熱量，說明冷板在比較嚴酷的供液條件下具有較高的換熱性能。

表1 65號冷卻液物理參數

圖3 液冷機架進出口溫差計算

2.2 流阻計算

液冷機架由三層冷板組成，穿通冷卻模塊和冷板的主分匯流流道采用并聯的方式。為保證機架冷板和穿通冷卻模塊能夠合理分配液冷流量，滿足散熱需求。需計算液冷機架在不同溫度、不同流量條件下的流動阻力，獲得其流動阻力特性。流量設定為1～4 LPM，每個流量計算增加步長為1 LPM，通過仿真計算出在常溫供液溫度下的最大流阻為60 kPa，能夠滿足一般工程項目的流阻要求。

2.3 流量計算

機架冷板和穿通冷卻模塊的流阻值決定了流量分配是否能夠滿足散熱需求，在總流量為4 LPM時，計算液冷機架的流量分配和流阻要求。

根據仿真計算結果，各冷板的流量分配如表2所示，流阻要求如表3所示。在4 LPM時基本實現了中冷板流量最大，上、下冷板流量基本平均的設計需求。

表2 冷板流量分配

表3 冷板流阻要求

根據仿真計算結果，各穿通冷卻模塊的流量分配如表4所示，可以滿足穿通冷卻模塊的散熱需求。

表4 穿通冷卻模塊流量分配

2.4 試驗驗證

為驗證該冷板設計的有效性，液冷機架加工完成后，對該機架進行了流阻、流量和熱測試試驗。試驗測試結果表明，各項指標的實測值和仿真分析結果基本相符。

在常溫條件下，對冷板進行了耐壓和爆破壓力檢測試驗。根據工程經驗液冷系統供液壓力一般不超過1.6 Mpa。按供液壓力的1.5倍對冷板進行耐壓檢測，加壓到2.4 Mpa并保持30 min，冷板未出現泄漏和可視變形。按供液壓力的2.5倍對冷板進行爆破壓力檢測，加壓到4 MPa并保持30 min，冷板無泄漏和目視可見的變形。說明該設計可以滿足一般工程項目對液冷冷板耐壓要求。

3 結束語

隨著航空機載電子設備功能綜合性的日趨復雜和組裝密度的不斷增大，同時對機載電子設備小型化和輕量化設計要求的不斷提高，高效的熱控設計成為機載電子設備熱設計的重點和難點。該穿通/傳導冷卻LRM模塊混裝的微流道冷板設計在傳統蛇形流道中引入了翅片，實現了冷板流道的寬跨度、大換熱面積和微通道設計，在保證冷板焊接強度的基礎上有效提高了熱傳遞效率。并通過冷板在穿通冷卻模塊進出口的特別設計，有效提高了穿通冷卻模塊進出口的靜壓差，在滿足冷板整體散熱需求的情況下能夠為大功率穿通液冷模塊提供足夠的冷卻流量，解決了高熱流密度航空電子產品的散熱問題。通過仿真計算和試驗驗證，表明該冷板設計在有限的冷卻資源和較嚴苛的熱環境條件下，可以有效提高液冷機架的換熱性能，滿足電子設備內部傳導冷卻LRM模塊和穿通冷卻LRM模塊不同的散熱需求，同時能夠滿足一般工程項目對流阻和耐壓的要求，保證了該冷板設計在工程應用中的有效性和可靠性。