機載機箱液冷與風冷技術的散熱性能對比研究*

趙 波

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

機載機箱液冷與風冷技術的散熱性能對比研究*

趙 波

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江嘉興 314033)

隨著機載機箱內部的熱密度越來越高以及安裝空間的有限性,對機箱的散熱性能和外形尺寸也提出了更高的要求。首先分析了強迫風冷的散熱方式,其次運用Flotherm軟件對液冷機箱的散熱性能進行了仿真驗證,結果表明液冷機箱能更好地滿足高熱流密度的散熱要求和結構外形要求。

液冷機箱;熱設計;強迫風冷

0 引 言

隨著電子技術的發(fā)展,高功耗電子器件的增多,且目前機箱基本都采用標準模塊,熱流密度大,散熱空間小,隨之帶來的問題就是對電子設備的散熱性能要求越來越高,器件過熱已成為電子產品實效的主要原因之一,嚴重影響了電子設備的可靠性和工作壽命。目前,包括電源在內的各種功能器件均模塊化,集成在機箱內部,文中機箱采用的ASSAC模塊之間的間隙只有0.32 mm。目前大部分的機載機箱采用強迫風冷進行散熱,在溫升為40℃時,強迫風冷可以處理熱流密度在0.04～0.08 W/cm2的設備[1],對于應溫升更高、熱流密度更大的設備,強迫風冷就難以滿足。于此同時,隨著模塊化的提高,機箱尺寸不斷減小,對小尺寸、高功耗的機箱采用強迫風冷,需選用尺寸更大的風機以滿足散熱需要的風量,這在尺寸較小的機箱內部難以實現(xiàn)合理布局。

隨著機載設備的體積越來越小,單位體積內產生的熱量不斷增加。目前一些新型的冷卻技術得到了飛速的發(fā)展,液冷機箱、液冷模塊已成功運用。美國德克薩斯儀器公司已成功將液冷機箱和液冷模塊結合使用在F-22飛機的電子系統(tǒng)中,其液冷LRM散熱能力高達100 W以上[2]。筆者對某機載機箱分別采用強迫風冷以及液冷進行了分析比較。

1 強迫風冷分析

如圖1所示為機箱內部模塊結構布局形式,由3種共6個模塊組成,包括了電源模塊。機箱的工作溫度為-55℃～+70℃。各模塊的功耗如表1所列。

圖1 機箱內模塊布局

表1 各模塊功耗

機箱內部模塊采用標準ASSAC模塊,發(fā)熱器件通過導熱襯墊將熱量通過盒體冷板和機箱散熱導軌,傳導至散熱導軌散熱齒,并通過風機抽風進行冷卻。

根據(jù)式(1),可初步計算出機箱散熱所需風量為:

式中:ρ為空氣的密度,kg/m3,這里選60℃時,空氣密度1.06 kg/m3;Cp為空氣的比熱,J/(kg·℃,Cp= 1 005 J/(kg·℃);Φ為單機總損耗功率(熱流量),W;Δt為空氣的出口與進口溫差,考慮到工作溫度最高為70℃,采用臺式機箱風道,這里初定Δt=5℃。

經(jīng)過計算,所需風量為Q=70 m3/h?？紤]到氣流通過不同的風道產生摩擦力和靜壓損失,造成風壓降低、風速減小,導致對機箱的散熱性能降低。按照設計經(jīng)驗一般選取1.5～2倍的裕量,采用2倍計算,所需風機風量為Q=140 m3/h。按照此風量,查詢常用的風機選用手冊,所需風量的風機外形尺寸達到了119 mm×119 mm×32 mm。

6個ASSAC標準模塊安裝后的前面板外形尺寸約為144 mm×160 mm,若考慮到數(shù)量達40個的插座及器件需要安裝,機箱的后面板則需要更大的空間才能同時滿足安裝接插件和風機。這在空間極為緊張的機載設備中難以實現(xiàn)。同時考慮到安裝平臺空間的有限性,在狹小的空間內設備安裝密度太大,機箱的風道會受到嚴重的影響,降低散熱效率。因此,考慮對機箱進行液冷散熱。

液冷機箱結構形式和模塊外形如圖2、3,機箱上下液冷之間為模塊,模塊通過鎖緊條鎖緊在液冷機架的導軌上,模塊兩側的導軌將電子器件的熱量傳導到液冷板,冷卻液經(jīng)過冷板帶走模塊產生的熱量。

圖2 液冷機箱結構

圖3 ASSAC模塊外形圖

2 液冷機箱熱仿真分析

目前液冷機箱的運用日益廣泛,特別是對于高熱流密度的設備,具有更好的散熱效果。

根據(jù)使用條件,外界環(huán)境溫度70℃,由于安裝在液冷機架上,入口冷卻液的溫度為55℃,保守起見,設定冷卻液恒溫為65℃。冷卻液與金屬冷板之間的對流換熱系數(shù)設置為1 000 W/m2·℃,機箱與模塊導軌之間設置接觸熱阻0.000 15 m2·K/W。建立機箱的熱仿真模型,如圖4所示。仿真結果如圖5、6所示。最高溫度出現(xiàn)在模塊2內,為74.3℃。表2是各模塊的熱仿真結果。

圖4 機箱熱仿真模型

圖5 模塊內溫度仿真結果

圖6 機箱仿真結果

由表2可知,在冷卻液溫度恒定為65℃的情況下,模塊導軌溫度小于70℃,根據(jù)以往設計經(jīng)驗以及實驗驗證,模塊導軌的溫度小于70℃時,模塊內的器件能夠滿足散熱要求。

表2 模塊仿真結果

根據(jù)相關資料[4]和后續(xù)開展的實驗摸底結果,使用液冷機架可以滿足對模塊功耗為100 W左右的散熱要求,此6個模塊功耗均在20 W左右,完全可以滿足散熱要求。

3 結 論

通過對單機進行強迫風冷分析及采用液冷機架進行熱仿真計算,可以明顯看出液冷機架在對高熱密度機箱散熱方面的優(yōu)勢。特別是在狹小密閉的空間,例如機載平臺,強迫風冷受制于安裝空間有限,且安裝的器件緊湊、空間狹小導致風道的不暢通,易造成各機箱之間風道相互影響,嚴重影響機箱的散熱效率。液冷機箱則可避免以上問題,在相對較狹小的空間利用冷卻液對機箱進行散熱,不受制于風道的影響。

[1]郭欣茹,張亞峰.電子設備機箱的強風冷設計[J].結構設計,2004(2):49-50.

[2]劉家華.機載雷達液冷機箱熱性能研究[D].南京:南京理工大學,2012.

[3]霍 曼.綜合航空電子技術發(fā)展展望[J].航空電子技術,2000 (3):12-17.

[4]李東來.液冷現(xiàn)場可更換模塊LRM熱設計[J].電子機械工程,2000(2):32-37.

Com parative Study on Heat Dissipation Performance of Liquid Cooling and Air Cooling Technology of Airborne Chassis

ZHAO Bo
(No.36 Research Institute ofCETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

With heat density inside the airborne cabinet rapidly improves higher and higher,and considering the limited installation space,we propose higher request to the heat dissipation and the boundary dimension of cabinet.In this paper,we firstly introduce the heat dissipation pattern of forced-air cooling,and then use the software FLOTHERM to conduct simulation verification on the heat dissipation performance of the liquid-cooled chassis.The results show that liquid-cooled chassis can better satisfies requirements on aspects of the heat dissipation and the structure appearance of high heating flux density.

liquid-cooled chassis;thermal design;forced air cooling

V243.2

A

1007-4414(2015)06-0010-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.004

2015-09-26

趙 波(1986-),男,四川遂寧人,工程師,主要從事結構設計方面的工作。