姚紅平 趙玉申 尹玉 高振國

關(guān)鍵詞：液冷機箱;地面雷達(dá);通液插件

隨著電子設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，高熱流密度的電子設(shè)備越來越多，這將為電子設(shè)備的熱設(shè)計提出新的挑戰(zhàn)。單靠熱傳導(dǎo)散熱和對流風(fēng)冷散熱已經(jīng)難以達(dá)到散熱要求，液冷技術(shù)因換熱效率高效，在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文針對某地面雷達(dá)大功耗電子設(shè)備機箱冷卻分析，提出了一種液冷機箱結(jié)構(gòu)，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。

1機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

機箱為6U標(biāo)準(zhǔn)機箱，以國軍標(biāo)GJB 2825-97為標(biāo)準(zhǔn)，可以裝載于所有同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的機柜中，機箱兩側(cè)留有導(dǎo)軌安裝孔。液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計由機箱主體框架、水分配器、液冷管路、水接頭、把手，前后面板等組成。從機箱后部看，進(jìn)出口位于水分配器左右兩側(cè)，冷卻液進(jìn)口設(shè)置在機箱左側(cè)板，冷卻液出口設(shè)置在機箱右側(cè)板。

機箱由左、右側(cè)板和上、下側(cè)板通過真空釬焊接形成機箱框架，焊接后機箱框架如圖2所示，為保證整體框架焊接的精度和強度，在焊接拼接處用工藝螺釘進(jìn)行定位并起到加強作用。機箱上側(cè)板、下側(cè)板加工出機箱內(nèi)部模塊的安裝導(dǎo)軌，導(dǎo)軌主要用于機箱內(nèi)部模塊的安裝引導(dǎo)，相鄰兩個導(dǎo)軌形成的空間用于模塊鎖緊條的鎖緊，導(dǎo)軌的末端設(shè)計有凸臺用于安裝水分配器。框架左右安裝支耳與左右側(cè)板一體加工成型，保證機箱受力結(jié)構(gòu)的一體性，增強機箱結(jié)構(gòu)強度。

水分配器采用與背板前支撐板一體式設(shè)計，用于安裝和支撐背板的作用，水分配器將進(jìn)出口液體通過盲插通徑流體連接器分別分配到各個插件中，同時進(jìn)行導(dǎo)出液體。

機箱內(nèi)部印制背板固定于水分配器背面，保證了通液插件上的液冷連接器和背板電連接器的同時插合;為了防止水接頭在插合過程中因漏液導(dǎo)致電連接器短路，設(shè)計水電分離：在水分配器上設(shè)計一個排水槽，當(dāng)插合處漏液時，液體漏在排水槽內(nèi)部，順勢流到左側(cè)板處，沿左側(cè)板流下，而不會直接滴落到插件上。結(jié)構(gòu)如圖所示。

本液冷機箱的液冷管路主要用于連接水分配器與機箱入液、回液連接器，其中液冷管路由法蘭內(nèi)襯套、壓接套以及特氟龍軟管通過壓接工藝制備而成。液冷管路一端固定于水分配器處，一段固定在機箱左側(cè)板上，通過法蘭內(nèi)襯套處安裝的0型圈實現(xiàn)流體的密封，為了避免使用過程中液冷管路的擺動使用捆扎帶將管路固定在機箱側(cè)壁的固定法蘭盤上。

機箱前后面板主要作用是密封機箱，同時機箱中的模塊存在常插拔的情況，機箱前后面板要有易拆裝的特點?；谶@兩點，機箱前后面板均采用松不脫螺釘連接，且在前后面板和機箱的接觸面中加裝復(fù)合導(dǎo)電膠條。機箱要滿足淋雨和電磁屏蔽要求。詳細(xì)結(jié)構(gòu)見下圖。

2機箱焊接設(shè)計

液冷機箱需焊接部位為焊接框架和內(nèi)部插件。框架為結(jié)構(gòu)件無流道起結(jié)構(gòu)支撐作用，材料選用6063，框架焊接方式為真空釬焊;插件選用5A06防銹鋁，焊接方式為電子束焊接。

焊接框架由上下及左右板構(gòu)成，框架選用材料為鋁合金6063，焊接性能好，提高結(jié)構(gòu)強度，保證機箱的支撐和密封作用。插件中冷板的焊接采用5A06電子束焊接，5A06耐腐蝕性能好，采用電子束焊接殘余應(yīng)力小，焊接件不易變形，且無其他焊接雜質(zhì)進(jìn)入流道。水分配器采用深孔鉆和電子束焊接相結(jié)合的方式進(jìn)行加工，深孔鉆的加工方式保證了工件的密封性、可靠性高，采用電子束焊接對深孔進(jìn)行封焊，焊接強度高，提高了水分配器的可靠性。

3機箱環(huán)控設(shè)計

為了減小計算量，對機箱和插件模型進(jìn)行簡化，去掉模型中不參與熱傳導(dǎo)的零部件，并按照模型實際傳熱對模型進(jìn)行簡化，簡化后的模型外形尺寸與模塊外形尺寸一致，模型如圖。

液冷機箱邊界條件參數(shù)設(shè)置如下，入液流量為5.24L/min，出口壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

當(dāng)液冷機箱流量為5.24L/min時，機箱內(nèi)部流道最大流阻約為24.6KPa。當(dāng)液冷機箱流量為5.24L/min時，機箱流道內(nèi)最大流速約為3.14m/s。

通過液冷機箱整體熱仿真分析可知，當(dāng)冷卻液流量為5.241Mmin，外部環(huán)境為40℃時，機箱內(nèi)部流道最大流阻約為24.6KPa，此外當(dāng)流量為0.37L/min時（即14塊插件流量均相等）每對盲插通徑流體連接器流阻約為4.2KPa，當(dāng)流量為5.24L/min時每對卡口式通徑流體連接器流阻約為7.2KPa，因此計算可得機箱整體最大流阻約為47.4KPa。模塊流量分配均勻，流阻<60KPa符合機箱流阻使用要求。此時機箱流道內(nèi)最大流速約為3.14m/s。

針對液冷流量浮動±10%情況下，對機箱模型進(jìn)行仿真，液冷流量為5.24L/min，當(dāng)流量向上浮動10%時，液冷流量為5.764L/min，此時保持其余條件均不變，機箱的流阻情況見下圖所示。

由上圖可知，當(dāng)機箱流量為5.764L/min時，機箱流阻（除流體連接器流阻）約為29.3KPa，此時機箱內(nèi)部最大流速為3.445m/s。此外當(dāng)流量為0.41L/min時（即14塊插件流量均相等）每對盲插3通徑流體連接器流阻約為4.5KPa，當(dāng)流量為5.764L/min時每對卡口式8通徑流體連接器流阻約為8KPa，因此計算可得機箱整體最大流阻約為54.3KPa。模塊流量分配均勻，流阻<60KPa符合機箱流阻使用要求。

通過DBF液冷機箱整體熱仿真分析可知，當(dāng)冷卻液流量為5.24L/min，外部環(huán)境為40℃時，與印制板上熱功耗元器件接觸的DBF插件冷板的最大溫度為63.16℃，DBF模塊上熱功耗元器件中最低要求的最大耐受殼溫為85℃，仿真結(jié)果符合熱功耗元器件中殼溫的要求。此時DBF液冷機箱內(nèi)部流道最大流阻約為47.4KPa（包括進(jìn)出口接頭），仿真結(jié)果符合技術(shù)協(xié)議中機箱流阻滿足<60KPa的要求。此時機箱流道內(nèi)最大流速約為3.14m/s。

針對流量±10%浮動仿真可知，當(dāng)流量向上浮動10%時，液冷流量為5.764L/min，此時保持其余條件不變，機箱整體內(nèi)部流阻最大約為54.3KPa，仿真結(jié)果符合技術(shù)協(xié)議中機箱流阻滿足<60KPa的要求。當(dāng)流量向下浮動10%時，液冷流量為4.716L/min時，保持其余條件不變，與印制板上熱功耗元器件接觸的DBF插件冷板的最大溫度為65.17℃。DBF模塊上熱功耗元器件中最低要求的最大耐受殼溫為85℃，仿真結(jié)果符合熱功耗元器件中殼溫的要求。

4機箱強度設(shè)計

機箱主要由機箱框架、分水器組成，機箱框架由底板、左右側(cè)板和中隔板焊接形成，底板通過螺釘將其和機箱框架固定。模型計算采用有限元軟件Hyperworks進(jìn)行。模塊創(chuàng)建包括建立單元類型、賦予材料屬性、施加載荷和邊界條件、定義求解器所需的控制卡片、求解、結(jié)果查看（后處理）等各類滿足求解所需的信息，其中后處理是查看求解結(jié)果的過程，可以輸出位移、應(yīng)力以及加速度等結(jié)果。建立的有限元模型如下圖：

液冷機箱的沖擊工況為后峰鋸齒波，峰值加速度為20g，六個方向，每個方向3次進(jìn)行沖擊試驗。

依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的力學(xué)環(huán)境及其評估準(zhǔn)則等設(shè)計要求，對機箱進(jìn)行了強度分析，其中包括模態(tài)分析、沖擊分析和振動分析，依據(jù)結(jié)果計算了結(jié)構(gòu)的安全裕度。經(jīng)過仿真計算，機箱整體剛強度符合設(shè)計要求，并有一定的設(shè)計余量。

5結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于通液插件的液冷基線個，采用使用水分配器聯(lián)合液冷管路的流道設(shè)計，機箱可安裝14個液冷插件，通過熱仿真及力學(xué)仿真方法對機箱設(shè)計有效性進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明，機箱設(shè)計與仿真值偏差較小，設(shè)計方法可行。