摘要：針對(duì)高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境及發(fā)熱量較大等工作情況，詳細(xì)介紹了一款強(qiáng)迫液冷散熱方式機(jī)箱。首先介紹了液冷機(jī)箱總體設(shè)計(jì)，然后分別闡述了模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、子卡冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、子卡均溫板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再對(duì)機(jī)箱箱體散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，最后對(duì)液冷機(jī)箱進(jìn)行了熱仿真分析，對(duì)強(qiáng)迫液冷散熱方式機(jī)箱的設(shè)計(jì)具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：液冷機(jī)箱；散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；蛇形流道；真空釬焊；熱仿真分析

中圖分類號(hào)：TK32? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）17-0036-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.010

0? ? 引言

隨著電子元器件日益微型化、小型化、多樣化，其功率密度也越來越高，在工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量大幅增加，導(dǎo)致元器件內(nèi)部溫度不斷升高，進(jìn)而引發(fā)一系列因熱失效導(dǎo)致的問題，這就對(duì)系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

業(yè)內(nèi)普遍采用的散熱解決方案為風(fēng)冷散熱，需要設(shè)計(jì)風(fēng)扇組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)迫散熱，但也帶來了風(fēng)扇高噪聲、高頻振動(dòng)損壞、影響風(fēng)扇壽命及可靠性等一系列問題；此外，風(fēng)冷散熱需要結(jié)合面板開孔結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部空氣循環(huán)，引發(fā)了防水、防塵的問題。為解決上述問題，需要進(jìn)行額外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此風(fēng)冷散熱普遍朝著大體積、多熱管和超重量的方向發(fā)展，不適用于高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境。

本文介紹的液冷機(jī)箱是一款適用于艦載設(shè)備的6U機(jī)箱，采用強(qiáng)迫液冷散熱方式，通過水泵（液冷源）使得冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)部流道中循環(huán)流動(dòng)，從而將系統(tǒng)內(nèi)部電子元器件所產(chǎn)生的熱量帶走，降低機(jī)箱內(nèi)部的溫度[1]，從而確保電子元器件能夠正常工作。強(qiáng)迫液冷散熱方式使用的液體介質(zhì)（比如60%乙二醇水溶液、PAO超級(jí)冷卻液等）比空氣及常規(guī)散熱鋁材有更好的換熱系數(shù)，這就使得液冷系統(tǒng)的散熱能力是傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷式散熱的100倍以上，因此，很多電子設(shè)備開始使用液冷散熱方式冷卻。

1? ? 液冷機(jī)箱總體設(shè)計(jì)

強(qiáng)迫液冷機(jī)箱采用封閉式設(shè)計(jì)，整體外觀如圖1所示。機(jī)箱由箱體、安裝在機(jī)箱內(nèi)部的功能模塊、印制板（PCB板）、安裝于后面板和航插面板上的連接器等組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1? ? 機(jī)箱箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)6U機(jī)箱，外形尺寸為540 mm（長(zhǎng)）×288.1 mm（寬）×270 mm（深，不包含導(dǎo)向銷長(zhǎng)度），該機(jī)箱箱體主要由機(jī)箱主體、前面板組件（包括支耳、左前面板、右前面板、調(diào)試區(qū)面板）、背板加強(qiáng)筋、后面板組件（包括上后面板、上后面板蓋板、下后面板、航插面板、導(dǎo)向銷等）和流體連接器插座等組成，如圖3所示。

機(jī)箱主體的左側(cè)板、頂板和底板均為液冷冷板內(nèi)部液冷流道設(shè)計(jì)，通過真空釬焊為機(jī)箱主體框架，再與前面板組件、后面板組件通過螺接方式裝配在一起。其中，前面板、后面板與機(jī)箱主體端面接觸處有密封圈凹槽設(shè)計(jì)，采用導(dǎo)電密封圈進(jìn)行密封；機(jī)箱主體內(nèi)設(shè)計(jì)有多組插槽，各模塊通過楔形條鎖緊裝置固定于插槽中[2]；機(jī)箱航插面板和上后面板依據(jù)用戶使用連接器型號(hào)和數(shù)量設(shè)計(jì)具體的開孔尺寸。

1.2? ? 模塊冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1? ? 模塊整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊內(nèi)部有各種芯片及電子元器件等，均屬于發(fā)熱元器件，無法實(shí)現(xiàn)自然冷卻。所以在實(shí)際模塊設(shè)計(jì)中將發(fā)熱元器件的熱量傳導(dǎo)至模塊冷板對(duì)應(yīng)的凸臺(tái)上，在各芯片與凸臺(tái)之間會(huì)通過0.5 mm或者1 mm厚度導(dǎo)熱硅膠進(jìn)行30%左右壓縮量的壓縮貼合，將熱量傳導(dǎo)至模塊的冷板上，再通過冷板兩側(cè)熱傳導(dǎo)面將熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱。整個(gè)模塊示意圖如圖4所示。

1.2.2? ? 子卡冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊子卡殼體材料選取的是鋁合金5A06，內(nèi)部凸臺(tái)具體位置以及高度依據(jù)相對(duì)應(yīng)模塊上芯片具體尺寸而定，子卡殼體內(nèi)部凸臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示，另會(huì)依據(jù)印制板（PCB板）具體布線以及子卡殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求來確定螺釘固定位置。

1.2.3? ? 子卡均溫板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

有些模塊中含有更大功率發(fā)熱元器件時(shí)，例如電源芯片、光模塊等，模塊子卡殼體一般采用均溫板材質(zhì)（即均熱板），同樣均溫板材質(zhì)子卡殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)部也加工有多個(gè)凸臺(tái)，電子元器件的熱量通過導(dǎo)熱硅膠傳輸?shù)酵古_(tái)上再到子卡殼體上，再通過機(jī)箱接觸面將熱量散發(fā)出去。使用均溫板材質(zhì)加工的子卡殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

均溫板的工作原理具體來說就是其真空腔底部的液體在吸收電子元器件（如芯片等）熱量后，蒸發(fā)擴(kuò)散至真空腔內(nèi)，將熱量傳導(dǎo)至散熱鰭片上，之后冷凝為液體回到底部。這種過程即液體在真空腔內(nèi)快速循環(huán)，類似于冰箱、空調(diào)的蒸發(fā)、冷凝過程，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)高的散熱效率。

2? ? 機(jī)箱箱體散熱設(shè)計(jì)

機(jī)箱液冷流道采用“蛇形流道”設(shè)計(jì)，整個(gè)機(jī)箱的散熱路徑如下：工作介質(zhì)從左側(cè)板側(cè)壁（進(jìn)液口處）流入頂板后再次流入左側(cè)板的下部進(jìn)入底板，最終流回到左側(cè)板側(cè)壁（出液口處），如圖7所示。左側(cè)板端面處安裝有一進(jìn)一出的流體連接器插座，后對(duì)接連接器插頭再通過壓力管路連接到液冷源上。

考慮機(jī)箱的輕量化設(shè)計(jì)，保證機(jī)箱整體輕度，采用5A06鋁合金板來加工機(jī)箱主體。該材料的機(jī)械性能指標(biāo)包括導(dǎo)熱系數(shù)λ鋁=201 W/（m·K）；比熱容C鋁=871 J/（kg·K）；抗拉強(qiáng)度σb=315 MPa[3]。

其中機(jī)箱主體部分左側(cè)板、頂板和底板通過NC加工流道槽路，之后通過真空電子束釬焊焊接3 mm鋁合金板于流道凹槽上端面，整體形成密閉流道，焊接完成后通過無損探傷檢測(cè)焊縫情況。

3? ? 液冷機(jī)箱熱仿真技術(shù)與分析

熱仿真技術(shù)就是借助熱仿真軟件對(duì)液冷機(jī)箱中各模塊在工作環(huán)境下涉及的功耗情況等傳熱現(xiàn)象進(jìn)行仿真計(jì)算，并對(duì)機(jī)箱的散熱特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過結(jié)果分析從而對(duì)機(jī)箱整體散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1? ? 邊界條件設(shè)置

印制板（PCB板）材料為M7，材料導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為20 W/（m·K），機(jī)箱材料為5A06鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/（m·K），模塊子卡殼體材料和機(jī)箱一樣，都是5A06鋁合金材料。

該液冷機(jī)箱內(nèi)部各模塊安裝位置溫度如圖8所示，機(jī)箱總功耗為745 W，其中機(jī)箱內(nèi)部各模塊功耗如表1所示。

為建立數(shù)學(xué)仿真模型，減小數(shù)值計(jì)算的運(yùn)算量，對(duì)物理模型進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）機(jī)箱持續(xù)運(yùn)行處于正常工作狀態(tài)下，整體的流動(dòng)與換熱為穩(wěn)態(tài)；

（2）由于主要仿真機(jī)箱內(nèi)部溫度分布，因此將螺紋孔等結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)；

（3）液冷是采用管道液冷的方式，液體介質(zhì)為去離子水，進(jìn)口供液流量為1 L/min，連接器直徑為5 mm，計(jì)算得到進(jìn)液口流速為0.7 m/s，進(jìn)液溫度為25 ℃。

通過ANSYS軟件中ICEPAK對(duì)機(jī)箱溫度進(jìn)行熱仿真分析，整體溫升邊界條件設(shè)定為環(huán)境溫度55 ℃，默認(rèn)氣體為空氣，材質(zhì)為鋁合金，給所有模塊熱源按其功率大小施加功率載荷，給外表面加對(duì)流邊界，輻射采用D0模型，給液體進(jìn)口施加固定速度，采用零方程湍流模型，不計(jì)重力等體積力影響。

3.2? ? 熱仿真分析

從仿真結(jié)果來看，在環(huán)境溫度為55 ℃、進(jìn)液口溫度為25 ℃的情況下，模塊最高溫度為47.1 ℃，對(duì)應(yīng)入口溫升22.1 ℃，機(jī)箱整體溫度分布如圖9和圖10所示，滿足客戶需求（特別說明：仿真基于模型簡(jiǎn)化和一些物理?xiàng)l件的近似，仿真結(jié)果和實(shí)際一般都存在一定差距，熱仿真結(jié)果分析在未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證前僅供參考）。

4? ? 結(jié)束語

此處設(shè)計(jì)的液冷機(jī)箱應(yīng)用于艦載情況下滿足了以下功能：

（1）機(jī)箱為密閉機(jī)箱，可以在高溫、高濕、高鹽霧的海洋惡劣環(huán)境下正常工作；

（2）該機(jī)箱工作時(shí)，電子元器件的熱量通過導(dǎo)熱膠墊—凸臺(tái)—模塊子卡殼體傳遞至機(jī)箱接觸面上，并通過液冷循環(huán)流道將熱量散發(fā)出去，使該機(jī)箱可以在高溫情況下正常工作；

（3）通過上述熱仿真分析結(jié)果可以得出，該液冷機(jī)箱液冷流道設(shè)計(jì)能夠滿足環(huán)境溫升要求。

該液冷機(jī)箱能通過“蛇形”液冷流道形式解決大功耗散熱問題，從而提高了設(shè)備在高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下應(yīng)用的可靠性，因此對(duì)同類型機(jī)箱的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 夏林勝，宮小北，華巍.某吊艙液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2019（4）：139-141.

[2] 朱恒義，關(guān)學(xué)剛.某機(jī)載密封風(fēng)冷機(jī)箱散熱設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗，2019，42（2）：115-117.

[3] 陳甲朋，覃紅夷.一種液冷機(jī)箱散熱效果的計(jì)算[J].中國(guó)科技信息，2019（5）：84-87.

收稿日期：2023-05-04

作者簡(jiǎn)介：倪同清（1986—），男，江蘇人，助理工程師，研究方向：工作信號(hào)一體化技術(shù)質(zhì)量。