大型综合机架液冷系统设计

黄诚

（中国电子科技集团公司第十研究所，成都 610036）

引言

伴随航空电子设备综合化程度地提高，电子设备越来越多地开始采用液冷技术。液冷电子设备运行的工作可靠性在很大程度上取决于液冷流量分配的正确程度[1-4]。

基于型号工程的要求，需设计一种八层结构的大规模综合模块化液冷机架，承载标准ASAAC封装的电子功能模块数量近200个。由于系统综合化集成度非常高，总热耗达到约9 000 W，单个模块热耗从30 W至230 W分布不等。而模块布局设计依据功能需求进行排布，难以实现热载荷的平均分配设计原则。因此，如何在有限的液冷资源的情况下，实现该综合模块化系统精准的热控设计，成为项目的一大难点。

同时，由于该综合模块化系统非常庞大，若使用传统的CFD方法，在保证分析精度的前提下，其计算规模也十分庞大，总计算网格数将高达2～3亿，计算过程花费时间周期非常长。如需在设计之初对就液冷系统的设计方案形成指导性意见，则必须要进行多轮方案的反复迭代，无法满足方案设计阶段的快速响应设计要求。

1 液冷系统总体设计

1.1 分流系统设计

综合机架中包含近200个ASAAC标准模块，其热耗分布并不均匀，在这种复杂工况下的，若要对每个模块进行精确匹配设计显然是不现实的。

因此，在机架的液冷系统设计中，为实现全系统的散热设计，通过对发热量与冷却资源的详细梳理，对流体流量制定两级分流的并联分配方案：

1）对于热耗100 W以下的多数模块，其散热需求在液冷条件下相对容易满足，因此采用集中冷板传导的方式进行散热：从综合机架流体总线上分配流量至8层并联冷板（如图 1 ），每层模块共用其上、下冷板的液冷资源，充分发挥冷板集中散热的高效特性，由此解决90%以上模块的散热问题。

图1 八层并联分流示意

2）对于集中热源超过100 W的模块，设计时在一级分流的基础上补充二级并联分流设计：通过局部模块对应的冷板组件进行二次分流，实现流量精准设计匹配，将冷却资源定点供给到这部分高热耗的模块，形成局部模块针对性穿通冷却（如图 2），由此解决该类高热耗模块及单元的散热问题。

图2 冷板二级分流到穿通模块

1.2 结构布局设计

综合机架设计为8层结构形式，液冷系统由冷板组件、穿通液冷模块、液冷接头、管路组件构成，如图3所示。冷却介质通过机架主分、汇流管路对各层冷板进行流量分配，管路与冷板组件之间采用快卸式自密封流体连接器进行连接，方便装卸与维护。

图3 综合机架液冷系统构成

2 支路流量详细设计

在本液冷系统中，由于每层模块的总热耗相差较大，在一级分流中，流量需求大的冷板需要约5 LPM，而流量需求小的冷板的供液流量仅3 LPM。要保证流体总线对于各节点分配的流量要求，在方案设计时就必须进行预先计算与分析。

机架的一级分流和穿通模块的二级分流的设计依据分支流理论进行。若要求各分支流流量精确配置，就需要在设计中对各支路节点的静压进行预设：通过对流道管路流阻进行设计，对需要较大流量的管路两端保留较大差压，同时控制较小流量的管路两端压差数值，使其流量相对较小，这就是机架分流设计的指导思想[5]。

根据机架内部各支路的散热能力需求，在U型流道分流静压特点下，输入条件是流体总线上流量Q和支路的预估流量[6-8]。依据伯努利方程，对冷板、模块的流道建立U型流动计算支路、节点压力的数学模型：将每个支流的静压损失，表示成二次函数形式，见图4。

图4 U型流动模型

通过假设最后一个支路流量Q3(n)，可代入以上计算模型，得到：

分支流和汇流支路间间隔流道的压力关系如下：

通过以上方法，就可以将n-2，n-3…进行递推，得到各支路的流量与流道关键节点压力的数值关系[9]。最终通过设计调节支管路的物理参数，达到流道压力和流量的精确分配目的。

最后，结合工程项目，通过优化局部管路通径、转角结构等方式，调节流道结构中各节点的静压，达成液冷系统内各支路流量的匹配设计（如图5），从而实现系统散热设计要求。

图5 流道优化设计

3 结果验证

在项目设计过程中采用分支流理论建立U型流道计算数学模型，结合矩形通道的热力计算关联式，得到流体内部静压的具体分布参数，从而对应模块间、管路间的差压、流量分布。于是可以通过局部调整管路物理参数获得其流量对应的分布关系，实现了物理特征、压差、流量计算的综合统一。

图6 流量分配图

图7 详细设计后的实物管路

图8 U型流道计算结果与实物测试

通过上述迭代计算的流量分配结果（见图6），与详细设计后的实物管路（见图7）流量与压力结果进行对比验证。

从对比结论可以看出（见图8），在供液流量30 LPM的以内时，理论计算结果与实物测试流阻曲线结果误差在10～15 %。而该计算方法不需要详细的设计模型，适用于方案初始阶段进行初步评估和快速优化设计。

4 结束语

本文对大型复杂电子设备的液冷系统开展分流布局规划，并通过理论计算调节支流管路物理参数，实现流道内压力与流量的快速匹配设计。最终通过测试验证，证明了该方法的有效性。该方法由于计算简单，尤其适合大型液冷系统在工程方案阶段快速响应设计。