一種混合式液冷機架設計

孫學富

摘要：介紹了一種基于ASAAC標準的液冷機架設計，詳細敘述了液冷機架的整體架構、液冷流道系統、上架安裝方法等，為兩種液冷方式和不同模塊集成安裝提供了借鑒。機架已通過了某型號項目的各項試驗驗證，論證了設計方案的可行性。

關鍵詞：液冷機架;液冷方式;冷卻路徑;工作原理

中圖分類號：V243

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.015

1 引言

隨著電子技術的飛速發展，為適應未來機載平臺高度綜合化要求，人們對電子設備的體積、重量、性能提出了更高的要求。

現今高度綜合化的航空天子體系在射頻和廣電兩大領域采用了模塊化、現場可更換的思路。機載設備正向小型化、高集成化的方向發展，由此帶來的影響是高熱流密度、功能模塊的耗散功率越來越大，熱流密度通常達到傳統設備的7-10倍。在該技術發展的過程中，散熱問題非常突出，自然冷卻和強迫風冷的散熱方法已經不能滿足設備耗散功率的需求，迫切需要采用一種換熱效率更高的冷卻方法來解決設備的散熱問題。由于液體介質具有比空氣及常規鋁材更好的熱交換系數，在目前高熱流密度設備中優先使用液冷系統散熱。與傳統的散熱方式相比，液冷系統的優點主要體現在能明顯減小設備體積和重量，這點對重量要求極為苛刻的機載平臺尤為重要。現今基于LRM模塊開發的綜合射頻機架被國內外機載平臺廣泛采用，該構架形式的優點是降低壽命期費用，縮短研制周期;提高系統的可靠性和容錯能力;有利于系統的改裝擴展以及新技術的采用。LRM綜合化液冷機架如圖1所示。

2 設計流程

機架結構設計流程如下：①確定模塊的數量;②計算插槽的數量和外形尺寸;③確定流道形式和分流方式;④計算流阻，判斷是否滿足要求;⑤確定機架安裝方式;⑥通過仿真判斷機架是否滿足環境條件要求;⑦通過試驗對機架進行驗證。

3 設計方案

3.1 機架結構設計

根據系統的設備組成，通過計算，機架需設計為雙層結構，主要由上中下三層冷板、側板、前面板、母板轉接板、分匯流組件等結構部件組成，具體如圖2所示。

模塊以傳導散熱為主，但機架內部有功耗很大的功能模塊，需采用穿通液冷方式對模塊進行散熱，其功耗達230W，液冷板的傳導冷卻已經不能滿足該模塊的散熱要求，同時機架中也有其他模塊，模塊基于ASAAC標準設計，根據項目設備具體情況，模塊尺寸有兩種規格：①233.4 mmx160 mm;②340 mmx170 mm。兩種模塊集成安裝如圖3所示。

該機架混合式主要體現在冷板的傳導冷卻和模塊的穿通液冷以及不同深度尺寸模塊的集成化安裝。混合式液冷機架組成如圖4所示。混合式流道設計如圖5所示。

機架采用上、中、下三塊冷板，為機架主要的受力區域，實現LRM的裝入、拆卸，LRM通過鎖緊條與冷板緊密接觸，使LRM實現傳導散熱到機架冷板，帶走熱量;穿通液冷通過模塊自帶的盲插接頭，將冷卻液引流到模塊內部自帶的冷板上，對模塊進行散熱，此冷卻方式適用于大功耗的模塊。LRM傳導冷卻路徑如圖6所示。模塊內部流道如圖7所示。

該機架內高低頻電纜數量多，為了便于設備接線以及后期調試和維護，背部轉接板分為兩塊，采用帶鉸鏈的翻轉設計。轉接板連接方式如圖8所示。

該機架需安裝在標準19英寸（1英寸等于2.54 cm）機柜上，為方便維修將電器接口和液體接口放置在后部，熱傳導通道一分匯流管路組件設計從機架側面延伸到后部，接口實現了電液分離，避免冷卻液污染電連接線的風險。

3.2 液冷流道系統設計

機架需要考慮散熱通道的分流和匯流設計，其工作原理如圖9所示，具體為液冷源將冷卻液推送人液冷管路中，液體流經分流管路組件到達三層冷板和穿通液冷模塊，與LRM進行熱交換，冷板中液體溫度升高.升溫后的液體經匯流管路組件帶走熱量，回到液冷源進行熱交換，溫度降低，如此反復循環將設備中的熱量帶走。

穿通液冷的實現主要依靠分匯流管路上的分支到穿通液冷集成小板上實現，管路組件將液體分流到集成小板上，通過小板上的分流道并聯將液體引流到穿通液冷的每個模塊上實現混合式液冷，如圖10所示。

機架分匯流依靠管路組件來實現。組件獨立于機架之外，設計上簡單，方便后期維護和更換，組件通過0形密封圈實現與冷板流道之間的密封。管路組件與冷板的接合面是一個很小的平面，按正常加工進行就可以，不需要專門考慮工藝過程，裝配時也非常簡單，將密封圈卡入槽內，用螺釘固定即可，裝配復雜度為簡單。

液冷機架流道原理如圖11所示。液冷管路組件如圖12所示。管路安裝如圖13所示。

冷板內部流道采用蛇形結構，工藝上采用金屬鈦管路與冷板基板整體鑄造成形的方法，該工藝可以有效避免防凍液腐蝕鋁材的冷板基板，增加機架的可靠性和使用壽命。冷板加工成形工藝如圖14所示。冷板流道設計如圖15所示。

3.3 機架上架設計

機架在飛機上安裝在機柜中，整個機架需要按19英寸標準機柜的相關標準進行適應性設計，主要體現在整個機架的寬度小于標準機柜的開口尺寸，機架前端帶19英寸的標準插箱面板，機架底部不能使用減震器和定位孔固定。機架的安裝順序為安裝件先安裝在機柜上，液冷機架置于安裝架上，從前向后推人，當后面板的導套與安裝架的導銷定位面緊密配合時機架即安裝到位，然后鎖緊前面板的螺釘。為避免機架底面在裝入時被劃傷從而表面涂層遭到破壞，在安裝架與機架接觸的表面涂覆耐磨涂層，安裝件如圖16所示。

4 結論

本文詳細論述了一種液冷機架結構設計方案，最終該設計方案通過仿真模擬，已在某型號項目中得到了實施驗證，證明該機架能夠很好滿足各項技術指標。