某機載LRM 模塊測試設備雙循環液冷設計
2025-08-28 00:00:00劉小偉李恒蔣金辰
機械 2025年8期
中圖分類號：TK124 文獻標志碼：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
隨著電子設備功耗越來越高，對電子設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、高熱流密度機載電子設備的散熱問題，但系統較為復雜。為達到預期的散熱能力，需進行液冷結構設計和熱設計。
結構設計是根據產品的技術條件和使用環境條件，對整機的組裝進行系統構思，并對各分系統和功能性單元提出設計要求和規劃[1]。熱設計的目的是控制電子設備內部所有電子元器件的溫度，使其在設備所處的工作環境條件下不超過規定的最高允許溫度[2]。機載電子設備在結構上需要小型化和模塊化，并滿足環境適應性和可靠性要求[3-4]，散熱上需確保熱量能夠順利地散發出去。
目前中大型液冷散熱系統常采用液冷源與設備相互獨立的設計，設備的熱量最終通過液冷源散發到環境中。孫之虎等5設計了壓縮制冷式的方艙式液冷源，為大型可移動電子設備散熱，尺寸為 12192mm×2438mm×2591mm 吳本南等設計了安裝在標準機柜內部的壓縮制冷式的液冷系統，尺寸 548mm×340mm× 355.6mm ，可為單臺或多臺液冷插箱提供冷卻液。張亞環等7設計了一種機載電子設備液冷機箱，由外部液冷源供液，上下雙層排布。苗力[8提出一種側壁液冷式機載電子設備，由外部液冷源供液。梁國等9設計了機載電子設備液冷機架，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箱的散熱效果進行了計算。自前中小型液冷散熱系統會將液冷源合并到單機設備內。趙亮等[將非壓縮制冷的液冷源設計在一個標準1ATR機箱內，對液冷系統各組成部分的小型化進行了探討。林蘭修等[12]將非壓縮制冷的液冷源設計在一個標準3U機箱內，冷板在中間，熱源在機箱上部，控制電路在機箱下部，設計水箱控制液體熱脹冷縮的影響，并對風量和液量進行了單獨計算仿真。
液冷源與設備相互獨立的液冷系統為外部循環液冷，雖然散熱效果好但占用空間較大，不適合小型化應用。液冷源設計在設備內部時為內部循環液冷，雖然可以小型化但散熱能力有限，且因為功能集中、系統復雜，模塊化程度普遍較低。為保證內部液體熱脹冷縮時系統也能正常工作，液冷系統中通常會設計水箱或泄壓閥。但水箱會通過透氣閥與外界交換氣體，當設備使用中重力方向不固定，振動、沖擊可能會導致氣體進入液體管路，導致散熱能力降低或失效；若采用泄壓閥，多次溫度循環會導致內部液體總量減少，振動、沖擊時也會導致相同的問題。熱設計方面，內部循環液冷多是對風冷部分和液冷部分進行單獨仿真，然后再合并計算，仿真計算工作量較大。
因此，本文根據機載電子設備環境適應性和可靠性要求，在一個設備內既實現了內部循環液冷，又可外接液冷源進行外部循環液冷，通過工作模式切換，滿足小型化和高散熱效果要求，結構上模塊化程度較高。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，可以讓液冷系統在重力方向不固定的振動、沖擊環境下正常工作。熱設計時采用6SigmaET進行風、液雙流體綜合仿真，該方法簡單，且仿真數據與實測數據接近，可以為類似機載設備液冷設計提供參考。
1工作原理
1.1要求
某機載LRM（Loadable ReplaceableModule，可加載可更換模塊）安裝在液冷機架上，熱耗約 44W?"。通過位于模塊兩側的肋片將熱量傳導至液冷機架，肋片與機架的接觸面為模塊的熱沉，溫度約 70°C ，最高工作環境溫度為 75°C 生產調試時，環境溫度約 25°C 。測試設備需要和其處于同一空間，經受機載LRM模塊相同的使用環境指標。
1.2工作原理
根據使用要求設計了內部和外部雙循環液冷系統。如圖1所示，系統包含熱源（機載LRM模塊）、冷板等。環境溫度約為 25°C 時，關閉外液冷閥，打開液冷切換閥，由內部循環液冷進行散熱；環境溫度 75°C 時，關閉液冷切換閥，打開外液冷閥，由試驗箱外的獨立液冷源進行散熱。
2結構設計
2.1外形尺寸
測試設備的結構形式和尺寸受到內部電路板互聯、大量電纜走線及液冷系統等因素的制約，主體設計為標準19英寸上架機箱，高度4U，深度 480mm
2.2整機組件構成
圖1工作原理圖
測試設備采用模塊化設計，各模塊通過互相插合并固定實現電氣、液冷和機械快速連接。如圖2所示，其組成包括：機載LRM模塊（16個）、測試模塊（2個）、機箱組件等。背板組件安裝在機箱組件中間，機載LRM模塊從機箱前面與背板盲插式硬連接，測試模塊從機箱后面與背板盲插式硬連接，機載LRM模塊和測試模塊通過背板進行電氣互聯。液冷模塊從機箱后面與機箱組件盲插式液冷硬連接，機載LRM模塊的電源和低速信號通過背板轉接到后面板，液冷模塊的風機、泵等線纜軟連接到后面板，實現機載LRM模塊、測試模塊、背板組件、液冷模塊和后面板組件的互聯互通。各模塊間的信號連通完全在整機內部實現，外部不需要任何電纜連接，視覺效果簡潔緊湊。
圖2結構布局
2.3液冷模塊
如圖3所示，液冷模塊包含風一液換熱器（2個）安裝在液冷底座中間，泵組件 （2個）安裝在左后側，膨脹罐組件（2個）安裝在右后側。
圖3液冷模塊
機載LRM模塊的熱量被上下導軌內的液體帶到換熱器內進行熱交換。換熱器采用板式結構，冷板的液道為蛇形，布置在正面，冷板的風道為直通，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、出液孔。
2.4冷卻液和膨脹罐
根據工作溫度、存儲溫度、熱負載及設備液冷特性，考慮冷卻液的冰點、沸點、介電常數、損耗系數、閃點、燃點、毒性、化學穩定性和相容性，在成本承受能力范圍內比較冷卻劑的品質因素，測試設備選用65號冷卻液[13]。
測試設備的流道分為上下獨立的兩部分，上流道對上導軌散熱，下流道對下導軌散熱，每部分都包含膨脹罐、換熱器和泵，上下流道結構形式互為鏡像。抽取上流道內的冷卻液進行分析，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，壽命區間內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 ，膨脹罐設計長度大于 51mm ，即可滿足要求。為減少管內鹽霧腐蝕，選用 QPF8×0.75 防水透氣閥進行表面防護。
圖5膨脹罐
圖4上流道內的冷卻液
測試設備主體材料采用6061鋁合金，液體管路除密封圈外其他零部件采用金屬材料，設計膨脹罐代替水箱或泄壓閥，既滿足 -55～ 85°C 溫度范圍內液體的熱脹冷縮需求，又保證液體與外界完全隔離，可以讓液冷系統在重力方向不固定的振動、沖擊環境下正常工作。各模塊采用真空釬焊保證結構剛強度和防水密封性，外表面采用靜電噴塑保護。經試驗驗證，測試設備結構設計滿足機載設備振動、沖擊、濕熱和鹽霧要求。
3熱設計
機載LRM模塊熱耗 44W ，設計16個槽位共計 704W 。模塊通過緊固鎖緊條與機箱的上下導軌緊密貼合，將熱量傳至導軌內的液體。外部循環時由獨立液冷源進行散熱，內部循環時在內置換熱器內進行熱交換，由風機將熱量帶走。
3.1外部液冷循環
已知模塊內部芯片熱耗 44W ，許用殼溫125°C ，芯片到模塊肋片傳導熱阻為 
模塊肋片與上下導軌接觸面積為 0.003042m2 兩者表面粗糙度均為 3.2μm， 簡化為氣隙進行計算。根據葉發亮等[15]的研究，模塊與導軌的接觸熱阻為 0.0356°C/W. ，傳導和接觸熱阻合計 0.4356°C/W 。計算可得，芯片到機箱導軌的溫升約為 19.2°C 。由外部液冷源對導軌進行冷卻，液體溫度 70～71.5°C 時芯片最高溫度為90.7°C 。
強迫冷卻計算公式為：
式中： qm 為質量流量； ? 為熱流量； Cp 為流體的定壓比熱容； Δt 為流體的進出口溫度差；ρ 為流體密度； qv 為體積流量。
已知模塊總熱量 ?=704W ，65號冷卻液 ρ=1062kg/m3 . Cp=3303J/（kg?°C） ，假設 Δt ≈1.5°C ，則計算得： qv≈1.3e-4m3/s≈8L/min。
利用專業熱仿真軟件6SigmaET進行熱分析。環境溫度為 75°C ，液體入口溫度為 70°C 上下導軌流量各 4L/min （流量合計 8L/min） ，模塊熱耗 44W 按上述位置進行安裝。環境試驗和可靠性試驗時選擇外部2U液冷源，其主要參數為：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? 環境溫度 +30°C ，滿足液冷系統壓力和流量要求。仿真結果如圖6、圖7所示。
圖6外循環壓力分布
可以看出，系統壓損為 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% ，滿足機載電子元器件降額使用要求。
圖7外循環芯片和流道切面溫度
3.2內部液冷循環
生產調試時采用內部循環模式，芯片熱量由液體帶到內置換熱器內進行熱交換，最終由風機將熱量帶走，生產調試環境溫度約 25°C
模塊總熱量為 704W ，采用2個內部循環泵，每個熱耗 24W ，合計 752W 。紊流時輻射量占比很小，假設熱量全部由液體帶至換熱器，并由風機帶走，風機和泵參數預選如下。
對于空氣， Φ=752W ： ρ=1.093kg/m3 Cp=1.005kJ/（kg?°C） ，假設 Δt=7°C ，則代入式（1）計算得： qv≈208 CFM Ω（1CFM′≈28.32 L/min） 。
因換熱器風阻較大，進風口和出風口各安裝4個6038風機，型號為J55FZW59-38G，其最大風量為 110CFM ，預計風機工作于風量一風壓曲線的中段約為55CFM，合計風量約為220CFM
對于液體（65號冷卻液）， ρ 、 Cp 取值與 3.1節相同，假設 Δt=3°C ，則代入式（1）計算 得 qv≈4L/min
系統壓力損失是沿程阻力損失和局部壓力損失之和，仿真計算當單泵流量為 2L/min （兩泵合計 4L/min） ）時，系統壓力損失約為0.02MPa 選用離心泵YBM24B，壓頭 0.4MPa， 根據泵的流量一壓力曲線，流阻 0.02MPa 時流量 10L/mingt;2L/min ，可以滿足系統壓力損失要求。
利用6SigmaET進行熱分析，環境溫度為25°C ，單泵流量控制為 2L/min （兩泵合計4L/min） ），風機按風量一風壓曲線進行設置，模塊熱耗按前文設置。在6SigmaET中設置泵的參數，“熱定義”選擇“固定排熱”，“排熱”值輸入 ′′24ΔW′′ 模擬單泵熱耗 24W ，進行風、液雙流體綜合仿真，結果如圖8、圖9所示。
圖8內循環風一液流體溫度
圖9內循環芯片和流道切面溫度
可以看出，對液體來說，泵進出口壓差為0.02MPa ，換熱器入液溫度 44.8°C ，出液溫度42.9°C 。風機工作于風量一風壓曲線的壓力側，風量為41CFM，進風口溫度 25.7°C ，出風口溫度 34.8°C 。此時芯片殼溫為 69.4°C 小于許用殼溫 125°C ，滿足生產調試時芯片散熱要求。
4驗證
測試設備采用內部液冷循環時情況較為復 雜，需進行驗證。內部液冷循環驗證時安裝16 個機載LRM模塊，每個模塊內部安裝1片44W 發熱電阻模擬熱源芯片，內部循環泵2個，每個泵熱耗 24W ，熱耗合計 752W 。8個風機功率合計 137W ，系統總功率 889W。
熱電偶布置在熱源芯片、上導軌、上泵、上膨脹罐、風機入口、風機出口和遠離測試設備的環境中。流量計串接在內循環流道內。測試設備驗證系統如圖10所示。
圖10測試設備驗證系統前面圖
內部液冷循環時，實測流量波動范圍為1.7～1.9L/min ，測量過程中環境溫度在 23°C 到 25°C 交替變化。對比實測和仿真結果，如表1所示。可以看出，實測溫度略低于仿真溫度。經分析，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散到環境中，如果計入輻射發散因素，則實測和仿真溫度數據基本吻合。
表1實測和仿真結果對比
5結語
介紹了機載LRM模塊液冷測試設備的結構設計和熱設計，詳細敘述了內部液冷循環和外部液冷循環的設計細節，通過工作模式切換滿足小型化和高散熱要求。結構方面介紹了液冷設備模塊化設計方法，并設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 溫度范圍內液體的熱脹冷縮需求，讓液冷系統能在重力方向不固定的振動、沖擊環境下正常工作。經試驗驗證，測試設備結構設計滿足機載設備振動、沖擊、濕熱和鹽霧要求。熱設計方面分別對內部液冷循環和外部液冷循環進行了計算和仿真，采用6SigmaET進行風、液雙流體綜合仿真，并對測試設備實物的散熱效果進行了實際測量。測量結果表明，測試設備的設計可以滿足機載LRM模塊生產調試、環境試驗和可靠性試驗時的散熱要求。
該測試設備已經進行了實際應用，在應用中滿足設計要求。
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