鄒左明

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017)

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一種基于LRM模塊的液冷機(jī)箱設(shè)計(jì)

鄒左明

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628017)

液冷技術(shù)產(chǎn)品具有散熱好、噪聲低和灰塵少等優(yōu)點(diǎn)，然而，高成本、難維護(hù)等問題限制了液冷技術(shù)類產(chǎn)品的推廣普及。針對(duì)上述問題，研究設(shè)計(jì)了一種基于LRM模塊的液冷機(jī)箱產(chǎn)品。對(duì)液冷機(jī)箱產(chǎn)品的工作原理、技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性要求進(jìn)行了研究，論證了液冷機(jī)箱設(shè)計(jì)方案的可行性。經(jīng)過對(duì)比分析可知，該產(chǎn)品較其他同類產(chǎn)品具有低成本、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，并通過8類試驗(yàn)證明了該產(chǎn)品的有效性，進(jìn)一步推動(dòng)了液冷技術(shù)類產(chǎn)品的發(fā)展與普及。

LRM模塊；液冷機(jī)箱；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)

隨著液冷技術(shù)發(fā)展逐漸完善，使用液冷技術(shù)的安全問題已得到有效的解決。此種無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，不僅降低了噪聲，而且減少了灰塵；因此，具備散熱好、噪聲低和灰塵少等優(yōu)點(diǎn)的液冷技術(shù)產(chǎn)品受到了大眾青睞。目前，液冷技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車和計(jì)算機(jī)等行業(yè)；然而，成本太高、不便維護(hù)等因素限制了液冷技術(shù)產(chǎn)品的推廣。

針對(duì)上述問題，本文提出應(yīng)用基于LRM模塊的液冷技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，有望進(jìn)一步推動(dòng)液冷技術(shù)產(chǎn)品的普及。LRM模塊是第4代綜合式航電系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，其具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、便于維護(hù)的特點(diǎn)，可以將三級(jí)維護(hù)簡化為二級(jí)維護(hù)，縮短研制周期，減少全壽命成本[1-2]。

1　LRM和液冷技術(shù)的原理

LRM技術(shù)是一種可以實(shí)現(xiàn)快速插拔、安全鎖緊、裝配無焊化和完全模塊化，適應(yīng)陸軍武器裝備的快速發(fā)展的一種新型技術(shù)，同時(shí)具有良好的電磁兼容性、抗沖減振性和冗余的熱設(shè)計(jì)性能。

液冷技術(shù)是指主要冷卻介質(zhì)為液體的冷卻技術(shù)，其原理是利用液體與發(fā)熱元器件進(jìn)行直接或間接換熱從而在流動(dòng)或者蒸發(fā)過程中帶走熱量，從而降低發(fā)熱元器件溫度[2]。

2　液冷機(jī)箱產(chǎn)品系統(tǒng)組成及工作原理

液冷機(jī)箱產(chǎn)品系統(tǒng)(以下簡稱產(chǎn)品)是一種滿足LRM模塊環(huán)境測試的試驗(yàn)裝置，主要功能是在LRM模塊環(huán)境試驗(yàn)時(shí)提供溫度環(huán)境控制，提供LRM模塊進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)時(shí)的機(jī)械安裝及電氣連接。其主要用于對(duì)LRM模塊工作環(huán)境的溫度控制，并滿足LRM模塊、連接器和背板等元器件的安裝和固定要求。液冷系統(tǒng)一般由液冷機(jī)箱、液冷源、出液管和回液管組成(見圖1)。本產(chǎn)品組成見表1，工作原理如圖2所示。

圖1　液冷系統(tǒng)組成示意圖

名稱型號(hào)數(shù)量備注液冷機(jī)箱TLZ—YL—15051非標(biāo)定制液量接頭SPH082STAUBLI液冷管路—4非標(biāo)定制流量(壓力)顯示及調(diào)試設(shè)備—1非標(biāo)定制液冷源Fc1600T1Julabo溫度測量設(shè)備—1—

圖2　LRM模塊溫控系統(tǒng)組成原理

在系統(tǒng)工作時(shí)，液冷機(jī)箱放置于溫度試驗(yàn)箱內(nèi)，液冷源放置在箱外，液冷機(jī)箱和液冷源通過2根管路連接，管路中集成流量(壓力)顯示及調(diào)節(jié)設(shè)備。按照試驗(yàn)條件要求，在給定的環(huán)境溫度(70 ℃)和熱負(fù)載(800W)下，通過調(diào)整液冷源的冷液溫度及冷液流量等參數(shù)，保證液冷機(jī)箱與模塊接觸界面溫度達(dá)到預(yù)定要求[4]。

3　液冷機(jī)箱

3.1結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)箱為臺(tái)面放置使用，左、右兩側(cè)預(yù)留安裝孔，可使用安裝附件安裝固定。機(jī)箱中上、下側(cè)板為冷板，采用鋁合金3A21銑削后真空釬焊，其余零件采用鋁合金5A06銑削加工，緊固件材質(zhì)為不銹鋼1Cr18Ni9Ti；鋁合金零件加工后需做彩色導(dǎo)電氧化處理；機(jī)箱外表面噴塑或漆。機(jī)箱的上、下側(cè)板為冷板，對(duì)模塊進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，右側(cè)板為分流板，安裝有2個(gè)通徑為8mm的卡口自密封接頭，將液冷源傳輸過來的冷卻液一分為二，分別傳輸?shù)缴?、下冷板，同時(shí)將2塊冷板上回流的冷卻液匯集到一起，傳回液冷源再次冷卻。冷卻液流向示意圖如圖3所示，上、下冷板與右側(cè)板之間使用O型橡膠密封圈進(jìn)行密封，密封圈為進(jìn)口材質(zhì)，能耐低溫，使用螺釘將各個(gè)側(cè)板聯(lián)接牢固。液冷機(jī)箱外觀如圖4所示。

圖3　冷卻液流向示意圖

圖4　液冷機(jī)箱外形示意圖

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的液冷機(jī)箱比較見表2。

表2　與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的液冷機(jī)箱比較

通過表2比較看出，該設(shè)計(jì)思路給產(chǎn)品帶來的優(yōu)點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、冷卻均勻、噪聲小、維護(hù)方便和價(jià)格比較低[5]。

3.2技術(shù)參數(shù)

3.2.1溫控指標(biāo)

每個(gè)LRM模塊熱消耗功率為80W，總共10個(gè)，總熱消耗功率≤800W；供液溫度(范圍內(nèi)可調(diào))：-15～+80 ℃；使用環(huán)境溫度：5～40 ℃；供液流量最大不超過28L/min；最大壓力≤350Pa。

3.2.2可靠性、維修性要求

MTBF≥4 000h；連續(xù)工作時(shí)間≥24h；液冷機(jī)箱在維修方面具備一定優(yōu)勢，產(chǎn)品出現(xiàn)故障應(yīng)能夠方便維修，更換管路及接頭快速、簡便；平均修復(fù)時(shí)間≤30min。

溫控系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)流量和供液溫度，使模塊與機(jī)箱安裝界面溫度(見圖5)T≤66 ℃。

圖5　機(jī)箱與模塊接觸界面溫度要求示意圖

機(jī)箱內(nèi)模塊布局如圖6所示，LRM模塊尺寸如圖7所示，模塊上的鎖緊條安裝孔位置在機(jī)箱詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)確定。

圖6　機(jī)箱內(nèi)模塊布局圖

圖7　LRM模塊尺寸圖

3.3環(huán)境適應(yīng)性要求

液冷機(jī)箱應(yīng)滿足如下高、低溫要求。

1)低溫貯存要求-55 ℃。

2)高溫貯存要求85 ℃。

3)低溫工作要求：液冷機(jī)箱在環(huán)境溫度為-55 ℃時(shí)能正常工作。

4)高溫工作要求：液冷機(jī)箱放置在70 ℃的溫度條件下(液冷機(jī)箱加電工作，最大發(fā)熱量800W)，溫控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的接觸界面溫度T≤66 ℃。低氣壓：試驗(yàn)高度25 000m(壓力2.5kPa)；試驗(yàn)溫度為當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室室溫；試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為1min；壓力變化≤10kPa/min。低溫低氣壓：-55 ℃、15 250m，保溫保壓240min；地面高溫：+70 ℃，工作240min；地面短時(shí)高溫：+85 ℃，工作30min；高溫低氣壓：+35 ℃、21 350m，工作4次，每次工作30min；短時(shí)高溫低氣壓：+60 ℃、15 250m，保溫保壓120min；+70 ℃工作15min；+85 ℃工作5min。

4　液冷機(jī)箱試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1溫度沖擊試驗(yàn)

試驗(yàn)溫度：最高溫度為70 ℃，最低溫度為-55 ℃；試驗(yàn)溫度保持時(shí)間為2h；轉(zhuǎn)換時(shí)間>5min；循環(huán)次數(shù)>3次。達(dá)到產(chǎn)品要求。

4.2濕熱試驗(yàn)

按照GJB150.9—1986中地面和機(jī)載電子設(shè)備濕熱試驗(yàn)要求，高溫高濕階段，溫度為60 ℃，相對(duì)濕度為95%，低溫高濕階段，溫度為30 ℃，相對(duì)濕度為95%，試驗(yàn)周期為10T，T=24h。

4.3鹽霧試驗(yàn)

按照GJB150.11標(biāo)準(zhǔn)的要求，溫度調(diào)整到35 ℃，保溫時(shí)間2h后噴霧，每24h檢測一次。試驗(yàn)結(jié)束后，在正常試驗(yàn)大氣壓下放置48h，進(jìn)行恢復(fù)、干燥。金屬防護(hù)層腐蝕面積不超過金屬防護(hù)層腐蝕面積的30%，且底金屬未出現(xiàn)腐蝕。

4.4振動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方法如下：1)振動(dòng)方向：X、Y和Z等3個(gè)軸向(見圖8)；2)振動(dòng)功率譜如圖9所示。

圖8　振動(dòng)方向

圖9　液冷機(jī)箱振動(dòng)功能試驗(yàn)振動(dòng)譜

試驗(yàn)時(shí)間：每個(gè)軸向1h；振動(dòng)耐久試驗(yàn)量級(jí)：1.6倍。

4.5加速度試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)，液冷機(jī)箱能承受9g的6個(gè)方向加速度。

4.6沖擊試驗(yàn)

X、Y和Z軸向規(guī)定如圖8所示，沖擊脈沖波形為半正弦波。液冷機(jī)箱能承受20g的后峰鋸齒波加速度沖擊，持續(xù)時(shí)間11ms，每個(gè)軸向18次。

4.7電磁兼容試驗(yàn)

機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電磁兼容性，在復(fù)雜工作環(huán)境下能正常工作，滿足系統(tǒng)使用要求。

4.8霉菌試驗(yàn)

菌種選擇根據(jù)GJB150.10A標(biāo)準(zhǔn)。溫度為30 ℃，相對(duì)濕度為90%～100%，外觀影響評(píng)定≤1。

通過上述8類試驗(yàn)，驗(yàn)證了該液冷機(jī)箱符合推向市場的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，說明了該液冷機(jī)箱產(chǎn)品的有效性，為該產(chǎn)品的推廣普及奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[6]。

5　結(jié)語

本文針對(duì)液冷技術(shù)類產(chǎn)品成本高、難維護(hù)的問題，提出了基于LRM模塊的液冷技術(shù)設(shè)計(jì)思路。首先，介紹了液冷機(jī)箱產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并論證了液冷機(jī)箱設(shè)計(jì)方案的可行性，確定了產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)；然后，經(jīng)過成本對(duì)比和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比，說明了該產(chǎn)品較目前市場上的其他產(chǎn)品具有成本低、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)[7]；最后，通過試驗(yàn)證明了該產(chǎn)品的有效性，有望進(jìn)一步推動(dòng)液冷技術(shù)類產(chǎn)品的發(fā)展與普及。

[1] 時(shí)社萍，楊志剛. 一種軍用LRM模塊的新型插拔裝置[J]. 電子機(jī)械工程，2010(3): 37-39.

[2] 郝經(jīng)佳.高效空氣—液體冷卻及控制系統(tǒng)的研制(ALECS)[D].北京：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，2003.

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[4] 唐良寶，張平.基于熱電制冷的液冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].世界科技研究與發(fā)展，2009(2):302-304.

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[6] 于全德. 液體黏性傳動(dòng)裝置冷卻系統(tǒng)的選擇[J].中州煤炭，2009(2):33-35.

[7] 豆會(huì)均. 淺談液冷技術(shù)發(fā)展[J].江蘇航空，2011(S1):175-178.

責(zé)任編輯鄭練

OneKindofLiquid-cooledChassisDesign

ZOUZuoming

(SichuanInstituteofInformationTechnology,Guangyuan628017,China)

Theliquidcoolingtechnologyproductshavegoodheatdissipation,lownoise,lessdust,etc.,however,thehighcost,difficultmaintenanceproblemslimitthepromotionofuniversalliquidcoolingtechnologyproducts.Aimingtheaboveproblems,designliquid-cooledchassisproductsLRMmodulebasedonliquidcoolingtechnology.Firstlyintroducethesystemdesignofliquid-cooledchassisproducts(works,technicalspecifications,environmentalsuitabilityrequirements),andthendemonstratethefeasibilityofliquid-cooledchassisdesign,thecomparativeanalysisshowsthattheproducthasalowercostthanothersimilarproductsandeasymaintenanceadvantage.Finally,eightcategoriesoftestsprovetheeffectivenessoftheproduct,andfurtherpromotethedevelopmentandpopularizationofproductswiththeliquidcoolingtechnology.

LRMmodules,liquid-cooledchassis,systemdesign,test

V243A

鄒左明(1978-)，男，工程碩士，講師，主要從事機(jī)械工程等方面的研究。

2016-01-27