一种混合式液冷机架设计

孙学富

摘要：介绍了一种基于ASAAC标准的液冷机架设计，详细叙述了液冷机架的整体架构、液冷流道系统、上架安装方法等，为两种液冷方式和不同模块集成安装提供了借鉴。机架已通过了某型号项目的各项试验验证，论证了设计方案的可行性。

关键词：液冷机架;液冷方式;冷却路径;工作原理

中图分类号：V243

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.015

1 引言

随着电子技术的飞速发展，为适应未来机载平台高度综合化要求，人们对电子设备的体积、重量、性能提出了更高的要求。

现今高度综合化的航空天子体系在射频和广电两大领域采用了模块化、现场可更换的思路。机载设备正向小型化、高集成化的方向发展，由此带来的影响是高热流密度、功能模块的耗散功率越来越大，热流密度通常达到传统设备的7-10倍。在该技术发展的过程中，散热问题非常突出，自然冷却和强迫风冷的散热方法已经不能满足设备耗散功率的需求，迫切需要采用一种换热效率更高的冷却方法来解决设备的散热问题。由于液体介质具有比空气及常规铝材更好的热交换系数，在目前高热流密度设备中优先使用液冷系统散热。与传统的散热方式相比，液冷系统的优点主要体现在能明显减小设备体积和重量，这点对重量要求极为苛刻的机载平台尤为重要。现今基于LRM模块开发的综合射频机架被国内外机载平台广泛采用，该构架形式的优点是降低寿命期费用，缩短研制周期;提高系统的可靠性和容错能力;有利于系统的改装扩展以及新技术的采用。LRM综合化液冷机架如图1所示。

2 设计流程

机架结构设计流程如下：①确定模块的数量;②计算插槽的数量和外形尺寸;③确定流道形式和分流方式;④计算流阻，判斷是否满足要求;⑤确定机架安装方式;⑥通过仿真判断机架是否满足环境条件要求;⑦通过试验对机架进行验证。

3 设计方案

3.1 机架结构设计

根据系统的设备组成，通过计算，机架需设计为双层结构，主要由上中下三层冷板、侧板、前面板、母板转接板、分汇流组件等结构部件组成，具体如图2所示。

模块以传导散热为主，但机架内部有功耗很大的功能模块，需采用穿通液冷方式对模块进行散热，其功耗达230W，液冷板的传导冷却已经不能满足该模块的散热要求，同时机架中也有其他模块，模块基于ASAAC标准设计，根据项目设备具体情况，模块尺寸有两种规格：①233.4 mmx160 mm;②340 mmx170 mm。两种模块集成安装如图3所示。

该机架混合式主要体现在冷板的传导冷却和模块的穿通液冷以及不同深度尺寸模块的集成化安装。混合式液冷机架组成如图4所示。混合式流道设计如图5所示。

机架采用上、中、下三块冷板，为机架主要的受力区域，实现LRM的装入、拆卸，LRM通过锁紧条与冷板紧密接触，使LRM实现传导散热到机架冷板，带走热量;穿通液冷通过模块自带的盲插接头，将冷却液引流到模块内部自带的冷板上，对模块进行散热，此冷却方式适用于大功耗的模块。LRM传导冷却路径如图6所示。模块内部流道如图7所示。

该机架内高低频电缆数量多，为了便于设备接线以及后期调试和维护，背部转接板分为两块，采用带铰链的翻转设计。转接板连接方式如图8所示。

该机架需安装在标准19英寸（1英寸等于2.54 cm）机柜上，为方便维修将电器接口和液体接口放置在后部，热传导通道一分汇流管路组件设计从机架侧面延伸到后部，接口实现了电液分离，避免冷却液污染电连接线的风险。

3.2 液冷流道系统设计

机架需要考虑散热通道的分流和汇流设计，其工作原理如图9所示，具体为液冷源将冷却液推送人液冷管路中，液体流经分流管路组件到达三层冷板和穿通液冷模块，与LRM进行热交换，冷板中液体温度升高.升温后的液体经汇流管路组件带走热量，回到液冷源进行热交换，温度降低，如此反复循环将设备中的热量带走。

穿通液冷的实现主要依靠分汇流管路上的分支到穿通液冷集成小板上实现，管路组件将液体分流到集成小板上，通过小板上的分流道并联将液体引流到穿通液冷的每个模块上实现混合式液冷，如图10所示。

机架分汇流依靠管路组件来实现。组件独立于机架之外，设计上简单，方便后期维护和更换，组件通过0形密封圈实现与冷板流道之间的密封。管路组件与冷板的接合面是一个很小的平面，按正常加工进行就可以，不需要专门考虑工艺过程，装配时也非常简单，将密封圈卡入槽内，用螺钉固定即可，装配复杂度为简单。

液冷机架流道原理如图11所示。液冷管路组件如图12所示。管路安装如图13所示。

冷板内部流道采用蛇形结构，工艺上采用金属钛管路与冷板基板整体铸造成形的方法，该工艺可以有效避免防冻液腐蚀铝材的冷板基板，增加机架的可靠性和使用寿命。冷板加工成形工艺如图14所示。冷板流道设计如图15所示。

3.3 机架上架设计

机架在飞机上安装在机柜中，整个机架需要按19英寸标准机柜的相关标准进行适应性设计，主要体现在整个机架的宽度小于标准机柜的开口尺寸，机架前端带19英寸的标准插箱面板，机架底部不能使用减震器和定位孔固定。机架的安装顺序为安装件先安装在机柜上，液冷机架置于安装架上，从前向后推人，当后面板的导套与安装架的导销定位面紧密配合时机架即安装到位，然后锁紧前面板的螺钉。为避免机架底面在装入时被划伤从而表面涂层遭到破坏，在安装架与机架接触的表面涂覆耐磨涂层，安装件如图16所示。

4 结论

本文详细论述了一种液冷机架结构设计方案，最终该设计方案通过仿真模拟，已在某型号项目中得到了实施验证，证明该机架能够很好满足各项技术指标。