肖偉，陳駿，史亮，王志洪，鄭幸淮

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

電子產(chǎn)品是以電能為工作基礎(chǔ)的相關(guān)產(chǎn)品，當(dāng)電子產(chǎn)品長時間使用就容易發(fā)熱。近年來，社會不斷進(jìn)步，通信技術(shù)迅速發(fā)展，這些對于現(xiàn)代電子技術(shù)均提出了更高要求，均要求電子設(shè)備在滿足體積小的基礎(chǔ)上，能夠具備更強(qiáng)的功能，這些勢必會導(dǎo)致裝備的集成度越來越高，發(fā)熱量也越來越大。受空間限制和散熱能效的限制，傳統(tǒng)的風(fēng)冷扇熱設(shè)計已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代軍事要求。

近年來，單個芯片計算能力的提升速度越來越慢，一方面是半導(dǎo)體技術(shù)難度的增加；另一方面是受到散熱的限制。如果芯片的功率再增大，則無法將其接吻控制在正常范圍內(nèi)，因此無法繼續(xù)提升其性能[1]。本文通過某艦載設(shè)備的風(fēng)冷散熱和液冷散熱的仿真測算，分析了兩種設(shè)計的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種液冷散熱的設(shè)計方法。

1 使用條件

本產(chǎn)品需長時間在50 ℃的環(huán)境下正常工作，設(shè)備整體為19英寸機(jī)箱構(gòu)架，整機(jī)由前后面板組件、機(jī)箱組件、底板組件、蓋板組件、電源模塊和功能模塊等部分組成，其中功能模塊又分為主控模塊、PCIE交換模塊、存儲模塊等。

2 風(fēng)冷設(shè)計

機(jī)箱由左右側(cè)板、上下風(fēng)道板等銑削加工后拼接而成。各主要功能模塊均安裝于機(jī)箱內(nèi)部相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件上。機(jī)箱內(nèi)部功能模塊采用標(biāo)準(zhǔn)VPX形式，模塊分布在機(jī)箱插槽上。機(jī)箱進(jìn)風(fēng)口位于前面板上下側(cè)，出風(fēng)口放置在后面板上；風(fēng)道采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)方式，氣流從前面板進(jìn)入，然后經(jīng)由上下到冷板，從后面板出風(fēng)。熱流通道和功能板卡的熱流方向一致，利于整機(jī)散熱。

2.1 熱耗輸入

設(shè)備的應(yīng)用場合為艦載環(huán)境，設(shè)備整體功耗較大，熱流密度集中度較高，同時為了滿足目標(biāo)識別設(shè)備整體重量的嚴(yán)格控制要求，必須在減重及充足熱容量之間尋求合理的平衡性，因此對散熱設(shè)計提出了較高的要求，結(jié)合技術(shù)指標(biāo)及抗振加固、三防及電磁兼容設(shè)計的相關(guān)要求，整機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱與傳導(dǎo)散熱相結(jié)合的方式綜合考慮散熱設(shè)計，整機(jī)熱耗預(yù)計如表1所示。

表1 整機(jī)模塊級熱耗分布

2.2 仿真建模

通過對仿真軟件（Flotherm19.1軟件）的外界條件進(jìn)行設(shè)置，如下：

1）環(huán)境設(shè)定：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，高溫+50 ℃；

2）機(jī)箱材料設(shè)定：防銹鋁5A06；

3）冷卻方式：內(nèi)部導(dǎo)冷，外部風(fēng)冷。

網(wǎng)格劃分采用智能劃分與局部網(wǎng)格功能相結(jié)合的方式，對模塊導(dǎo)熱安裝面、高熱芯片導(dǎo)熱面等局部熱源集中位置使用局部網(wǎng)格區(qū)域功能進(jìn)行細(xì)分，增加仿真精度。根據(jù)該方案，整機(jī)網(wǎng)格數(shù)量約268.5萬，經(jīng)過仿真計算，獲得整機(jī)在高溫+50 ℃環(huán)境中，正常工作達(dá)到熱平衡狀態(tài)時機(jī)箱及內(nèi)部模塊的仿真計算云圖如圖2所示，主要溫度曲線如圖3所示。

圖1 產(chǎn)品外形圖

圖2 機(jī)箱內(nèi)部熱仿真計算結(jié)果云圖（風(fēng)冷）

圖3 主要器件溫度計算曲線（風(fēng)冷）

由仿真計算可知（詳見表2），50 ℃高溫環(huán)境下，整機(jī)正常工作至熱平衡狀態(tài)時，A模塊的CPU芯片和光模塊以及C模塊的電子盤溫度已臨近或超過許用最高結(jié)溫，散熱條件無法滿足正常使用要求。

表2 主要熱源器件仿真結(jié)果（風(fēng)冷）

3 液冷改進(jìn)方案

3.1 改進(jìn)方案

針對上述設(shè)計的缺點(diǎn)，對產(chǎn)品機(jī)箱進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，機(jī)箱及內(nèi)部模塊采用導(dǎo)冷形式，機(jī)箱上部和下部安裝獨(dú)立水冷板對機(jī)箱進(jìn)行散熱，獨(dú)立水冷板通過螺釘與設(shè)備上下蓋板安裝連接，機(jī)箱整體為密閉設(shè)計，機(jī)箱液冷板外置安裝，可獨(dú)立拆卸維護(hù)，上下液冷板之間通過液冷管路進(jìn)行互聯(lián)，液冷連接器由原來的鋁合金材質(zhì)更改為不銹鋼材質(zhì)，兩端液冷接頭采用法蘭盤固定，中間軟管采用特氟龍軟管，外層304不銹鋼編織層，整機(jī)外觀示意圖如圖4、5所示。

圖4 液冷改進(jìn)方案示意圖

液冷板流道內(nèi)嵌銅管壓接固定，銅管折彎后內(nèi)外壁化學(xué)鍍鎳處理，銅管與液冷板管路槽之間涂抹導(dǎo)熱脂進(jìn)行填隙處理，鎳的耐蝕性優(yōu)良，可以抵御淡水中Cl-侵蝕，不易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，水冷板壓接設(shè)計方案如圖5所示。

圖5 預(yù)埋銅管式液冷板方案示意圖

銅管的最小折彎半徑為1.5D，根據(jù)設(shè)計需求進(jìn)行定義R角并折彎成形。液體對管道的腐蝕會引起管道損壞，進(jìn)而導(dǎo)致泄漏[1]。銅管內(nèi)壁進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，鍍鎳層厚度（5～7）um。銅管焊接鍍鎳后需對銅管進(jìn)行保壓測漏；保壓方式是進(jìn)行氮?dú)獗?，做接口工裝充入氮?dú)?，放入水中靜置30 min，觀察氣泡產(chǎn)生，無氣泡產(chǎn)生則表明焊接良好，銅管無漏縫。

銅鋁結(jié)合采用壓接方式，并且輔助機(jī)械加固方法（螺絲緊固）。壓接前防止內(nèi)壁有間隙，在內(nèi)壁涂抹導(dǎo)熱硅脂。流道是用球刀加工成型，流道口徑略小于銅管直徑，采用橡膠錘將銅管敲入流道內(nèi)。

本次液冷機(jī)箱設(shè)計改進(jìn)主要是針對機(jī)箱外部液冷板，機(jī)箱內(nèi)部仍然保持密閉設(shè)計，整機(jī)其他部分設(shè)計、材料、表面處理工藝經(jīng)過歷史試驗驗證，可以滿足技術(shù)要求中濕熱、霉菌、鹽霧等艦載指標(biāo)，由于機(jī)箱冷板與液冷板之間增加了一道熱阻，通過導(dǎo)熱脂填隙可盡量減小該熱阻，因此可能產(chǎn)生的影響主要是高溫試驗，因此僅需進(jìn)行高溫仿真。

3.2 熱仿真測算

對模型進(jìn)行一定程度簡化（熱流密度保持不變），刪除微小凸臺、孔位等特征，根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)部模塊的實(shí)際功耗情況（詳見表1），機(jī)箱上蓋板與液冷板之間大面用導(dǎo)熱脂進(jìn)行填充，材料參數(shù)如表3所示，進(jìn)口流量設(shè)置為1.2 L/min，供液溫度38 ℃，網(wǎng)格劃分：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約1 100 W。建立以下仿真模型。

表3 材料參數(shù)表

經(jīng)過仿真計算，獲得整機(jī)在高溫+50 ℃環(huán)境中，通液溫度設(shè)定為+38 ℃，正常工作達(dá)到熱平衡狀態(tài)時機(jī)箱及內(nèi)部模塊的仿真計算云圖如圖6所示，主要溫度曲線如圖7所示。

圖6 設(shè)備機(jī)箱熱仿真（液冷）

圖7 功能板卡主要器件溫度計算曲線（液冷）

改進(jìn)后機(jī)箱模塊接觸導(dǎo)軌最高溫度為44.2 ℃，改進(jìn)前為44 ℃，基本保持一致，機(jī)箱左側(cè)板由于減少了側(cè)板流道，機(jī)箱左側(cè)板溫度由原來的42 ℃上升至48 ℃，機(jī)箱溫度變化如圖8所示。

圖8 液冷和風(fēng)冷機(jī)箱仿真對比

由以上仿真結(jié)果可知，在50 ℃高溫環(huán)境下，設(shè)備最大功耗配置狀態(tài)運(yùn)行中，機(jī)箱溫度可以保持在50 ℃以內(nèi)，最高點(diǎn)溫度出現(xiàn)在B模塊的交換芯片上，不超過60 ℃，其余所有模塊芯片的最高溫度均低于85 ℃，均小于一般工業(yè)級芯片的允許結(jié)溫，滿足散熱要求（具體詳見表4）。

4 結(jié)論

綜上所述，在有限的空間，液冷設(shè)計能達(dá)到預(yù)期的散熱效果，且液冷管是金屬件，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。同時去除了風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動部件，既可以消除風(fēng)扇轉(zhuǎn)動帶來的噪音，節(jié)省了風(fēng)扇能耗，也消除了風(fēng)扇長期運(yùn)轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的振動[1]，除微弱的水流聲外，產(chǎn)品工作時基本沒有噪音，也能提高潛艇的隱身性能，在后續(xù)裝備的設(shè)計中值得廣泛推廣。

表4 主要熱源器件仿真結(jié)果（液冷）