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(lái)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(wèn)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(lái)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(wèn)題；此外，風(fēng)冷散熱需要結(jié)合面板開(kāi)孔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部空氣循環(huán)，引發(fā)了防水、防塵的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)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(guò)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(kāi)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)）X288.1 mm（寬）X270 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(guò)真空釘焊為機(jī)箱主體框架,再與前面板組件、后面板組件通過(guò)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(guò)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(kāi)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(wú)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)導(dǎo)熱硅膠傳輸?shù)酵古_(tái)上再到子卡殼體上,再通過(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)NC加工流道槽路，之后通過(guò)真空電子束釘焊焊接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(guò)無(wú)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(guò)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節(jié)。

通過(guò)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節(jié)，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，采用零方程揣流模型，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(lái)看，在環(huán)境溫度為55節(jié)、進(jìn)液口溫度為25節(jié)的情況下，模塊最高溫度為47.1節(jié)，對(duì)應(yīng)入口溫升22.1節(jié)，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(shuō)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(yǔ)

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)“蛇形”液冷流道形式解決大功耗散熱問(wèn)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。