一种基于LRM模块的液冷机箱设计

2016-08-11邹左明

新技术新工艺 2016年7期

关键词：液冷机箱模块

邹左明

(四川信息职业技术学院，四川广元 628017)

一种基于LRM模块的液冷机箱设计

邹左明

(四川信息职业技术学院，四川广元 628017)

液冷技术产品具有散热好、噪声低和灰尘少等优点，然而，高成本、难维护等问题限制了液冷技术类产品的推广普及。针对上述问题，研究设计了一种基于LRM模块的液冷机箱产品。对液冷机箱产品的工作原理、技术指标和环境适应性要求进行了研究，论证了液冷机箱设计方案的可行性。经过对比分析可知，该产品较其他同类产品具有低成本、易维护的优点，并通过8类试验证明了该产品的有效性，进一步推动了液冷技术类产品的发展与普及。

LRM模块；液冷机箱；系统设计；试验

随着液冷技术发展逐渐完善，使用液冷技术的安全问题已得到有效的解决。此种无风扇设计，不仅降低了噪声，而且减少了灰尘；因此，具备散热好、噪声低和灰尘少等优点的液冷技术产品受到了大众青睐。目前，液冷技术已广泛应用于航天航空、汽车和计算机等行业；然而，成本太高、不便维护等因素限制了液冷技术产品的推广。

针对上述问题，本文提出应用基于LRM模块的液冷技术进行产品设计，有望进一步推动液冷技术产品的普及。LRM模块是第4代综合式航电系统的硬件基础，其具有标准化程度高、便于维护的特点，可以将三级维护简化为二级维护，缩短研制周期，减少全寿命成本[1-2]。

1　LRM和液冷技术的原理

LRM技术是一种可以实现快速插拔、安全锁紧、装配无焊化和完全模块化，适应陆军武器装备的快速发展的一种新型技术，同时具有良好的电磁兼容性、抗冲减振性和冗余的热设计性能。

液冷技术是指主要冷却介质为液体的冷却技术，其原理是利用液体与发热元器件进行直接或间接换热从而在流动或者蒸发过程中带走热量，从而降低发热元器件温度[2]。

2　液冷机箱产品系统组成及工作原理

液冷机箱产品系统(以下简称产品)是一种满足LRM模块环境测试的试验装置，主要功能是在LRM模块环境试验时提供温度环境控制，提供LRM模块进行环境试验时的机械安装及电气连接。其主要用于对LRM模块工作环境的温度控制，并满足LRM模块、连接器和背板等元器件的安装和固定要求。液冷系统一般由液冷机箱、液冷源、出液管和回液管组成(见图1)。本产品组成见表1，工作原理如图2所示。

图1　液冷系统组成示意图

名称型号数量备注液冷机箱TLZ—YL—15051非标定制液量接头SPH082STAUBLI液冷管路—4非标定制流量(压力)显示及调试设备—1非标定制液冷源Fc1600T1Julabo温度测量设备—1—

图2　LRM模块温控系统组成原理

在系统工作时，液冷机箱放置于温度试验箱内，液冷源放置在箱外，液冷机箱和液冷源通过2根管路连接，管路中集成流量(压力)显示及调节设备。按照试验条件要求，在给定的环境温度(70 ℃)和热负载(800W)下，通过调整液冷源的冷液温度及冷液流量等参数，保证液冷机箱与模块接触界面温度达到预定要求[4]。

3　液冷机箱

3.1结构

本文所设计的机箱为台面放置使用，左、右两侧预留安装孔，可使用安装附件安装固定。机箱中上、下侧板为冷板，采用铝合金3A21铣削后真空钎焊，其余零件采用铝合金5A06铣削加工，紧固件材质为不锈钢1Cr18Ni9Ti；铝合金零件加工后需做彩色导电氧化处理；机箱外表面喷塑或漆。机箱的上、下侧板为冷板，对模块进行传导冷却，右侧板为分流板，安装有2个通径为8mm的卡口自密封接头，将液冷源传输过来的冷却液一分为二，分别传输到上、下冷板，同时将2块冷板上回流的冷却液汇集到一起，传回液冷源再次冷却。冷却液流向示意图如图3所示，上、下冷板与右侧板之间使用O型橡胶密封圈进行密封，密封圈为进口材质，能耐低温，使用螺钉将各个侧板联接牢固。液冷机箱外观如图4所示。

图3　冷却液流向示意图

图4　液冷机箱外形示意图

与传统设计的液冷机箱比较见表2。

表2　与传统设计的液冷机箱比较

通过表2比较看出，该设计思路给产品带来的优点是冷却系统结构简单、可靠性好、冷却均匀、噪声小、维护方便和价格比较低[5]。

3.2技术参数

3.2.1温控指标

每个LRM模块热消耗功率为80W，总共10个，总热消耗功率≤800W；供液温度(范围内可调)：-15～+80 ℃；使用环境温度：5～40 ℃；供液流量最大不超过28L/min；最大压力≤350Pa。

3.2.2可靠性、维修性要求

MTBF≥4 000h；连续工作时间≥24h；液冷机箱在维修方面具备一定优势，产品出现故障应能够方便维修，更换管路及接头快速、简便；平均修复时间≤30min。

温控系统通过调节流量和供液温度，使模块与机箱安装界面温度(见图5)T≤66 ℃。

图5　机箱与模块接触界面温度要求示意图

机箱内模块布局如图6所示，LRM模块尺寸如图7所示，模块上的锁紧条安装孔位置在机箱详细设计时确定。

图6　机箱内模块布局图

图7　LRM模块尺寸图

3.3环境适应性要求

液冷机箱应满足如下高、低温要求。

1)低温贮存要求-55 ℃。

2)高温贮存要求85 ℃。

3)低温工作要求：液冷机箱在环境温度为-55 ℃时能正常工作。

4)高温工作要求：液冷机箱放置在70 ℃的温度条件下(液冷机箱加电工作，最大发热量800W)，温控系统提供稳定的接触界面温度T≤66 ℃。低气压：试验高度25 000m(压力2.5kPa)；试验温度为当地实验室室温；试验持续时间为1min；压力变化≤10kPa/min。低温低气压：-55 ℃、15 250m，保温保压240min；地面高温：+70 ℃，工作240min；地面短时高温：+85 ℃，工作30min；高温低气压：+35 ℃、21 350m，工作4次，每次工作30min；短时高温低气压：+60 ℃、15 250m，保温保压120min；+70 ℃工作15min；+85 ℃工作5min。

4　液冷机箱试验验证

4.1温度冲击试验

试验温度：最高温度为70 ℃，最低温度为-55 ℃；试验温度保持时间为2h；转换时间>5min；循环次数>3次。达到产品要求。

4.2湿热试验

按照GJB150.9—1986中地面和机载电子设备湿热试验要求，高温高湿阶段，温度为60 ℃，相对湿度为95%，低温高湿阶段，温度为30 ℃，相对湿度为95%，试验周期为10T，T=24h。

4.3盐雾试验

按照GJB150.11标准的要求，温度调整到35 ℃，保温时间2h后喷雾，每24h检测一次。试验结束后，在正常试验大气压下放置48h，进行恢复、干燥。金属防护层腐蚀面积不超过金属防护层腐蚀面积的30%，且底金属未出现腐蚀。

4.4振动试验

试验方法如下：1)振动方向：X、Y和Z等3个轴向(见图8)；2)振动功率谱如图9所示。

图8　振动方向

图9　液冷机箱振动功能试验振动谱

试验时间：每个轴向1h；振动耐久试验量级：1.6倍。

4.5加速度试验

经试验，液冷机箱能承受9g的6个方向加速度。

4.6冲击试验

X、Y和Z轴向规定如图8所示，冲击脉冲波形为半正弦波。液冷机箱能承受20g的后峰锯齿波加速度冲击，持续时间11ms，每个轴向18次。

4.7电磁兼容试验

机箱设计时需考虑电磁兼容性，在复杂工作环境下能正常工作，满足系统使用要求。

4.8霉菌试验

菌种选择根据GJB150.10A标准。温度为30 ℃，相对湿度为90%～100%，外观影响评定≤1。

通过上述8类试验，验证了该液冷机箱符合推向市场的产品标准，说明了该液冷机箱产品的有效性，为该产品的推广普及奠定了坚实的基础[6]。

5　结语

本文针对液冷技术类产品成本高、难维护的问题，提出了基于LRM模块的液冷技术设计思路。首先，介绍了液冷机箱产品的系统设计方案，并论证了液冷机箱设计方案的可行性，确定了产品的技术指标；然后，经过成本对比和系统设计方案的对比，说明了该产品较目前市场上的其他产品具有成本低、易维护的优点[7]；最后，通过试验证明了该产品的有效性，有望进一步推动液冷技术类产品的发展与普及。

[1] 时社萍，杨志刚. 一种军用LRM模块的新型插拔装置[J]. 电子机械工程，2010(3): 37-39.

[2] 郝经佳.高效空气—液体冷却及控制系统的研制(ALECS)[D].北京：中国科学院自动化研究所，2003.

[3] 时阳，朱兴旺，张保国. 低温液体冷却循环器的研究与开发[J]. 低温工程，2003(1): 56-60.

[4] 唐良宝，张平.基于热电制冷的液冷源系统设计[J].世界科技研究与发展，2009(2):302-304.

[5] 王建峰. 某机动型干扰发射车液体冷却系统设计综述[J].电子机械工程，2006(2):5-8,22.

[6] 于全德. 液体黏性传动装置冷却系统的选择[J].中州煤炭，2009(2):33-35.

[7] 豆会均. 浅谈液冷技术发展[J].江苏航空，2011(S1):175-178.

责任编辑郑练

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.

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