一種基于LRM模塊的液冷機箱設計

鄒左明

(四川信息職業(yè)技術學院，四川 廣元 628017)

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一種基于LRM模塊的液冷機箱設計

鄒左明

(四川信息職業(yè)技術學院，四川 廣元 628017)

液冷技術產(chǎn)品具有散熱好、噪聲低和灰塵少等優(yōu)點，然而，高成本、難維護等問題限制了液冷技術類產(chǎn)品的推廣普及。針對上述問題，研究設計了一種基于LRM模塊的液冷機箱產(chǎn)品。對液冷機箱產(chǎn)品的工作原理、技術指標和環(huán)境適應性要求進行了研究，論證了液冷機箱設計方案的可行性。經(jīng)過對比分析可知，該產(chǎn)品較其他同類產(chǎn)品具有低成本、易維護的優(yōu)點，并通過8類試驗證明了該產(chǎn)品的有效性，進一步推動了液冷技術類產(chǎn)品的發(fā)展與普及。

LRM模塊；液冷機箱；系統(tǒng)設計；試驗

隨著液冷技術發(fā)展逐漸完善，使用液冷技術的安全問題已得到有效的解決。此種無風扇設計，不僅降低了噪聲，而且減少了灰塵；因此，具備散熱好、噪聲低和灰塵少等優(yōu)點的液冷技術產(chǎn)品受到了大眾青睞。目前，液冷技術已廣泛應用于航天航空、汽車和計算機等行業(yè)；然而，成本太高、不便維護等因素限制了液冷技術產(chǎn)品的推廣。

針對上述問題，本文提出應用基于LRM模塊的液冷技術進行產(chǎn)品設計，有望進一步推動液冷技術產(chǎn)品的普及。LRM模塊是第4代綜合式航電系統(tǒng)的硬件基礎，其具有標準化程度高、便于維護的特點，可以將三級維護簡化為二級維護，縮短研制周期，減少全壽命成本[1-2]。

1　LRM和液冷技術的原理

LRM技術是一種可以實現(xiàn)快速插拔、安全鎖緊、裝配無焊化和完全模塊化，適應陸軍武器裝備的快速發(fā)展的一種新型技術，同時具有良好的電磁兼容性、抗沖減振性和冗余的熱設計性能。

液冷技術是指主要冷卻介質為液體的冷卻技術，其原理是利用液體與發(fā)熱元器件進行直接或間接換熱從而在流動或者蒸發(fā)過程中帶走熱量，從而降低發(fā)熱元器件溫度[2]。

2　液冷機箱產(chǎn)品系統(tǒng)組成及工作原理

液冷機箱產(chǎn)品系統(tǒng)(以下簡稱產(chǎn)品)是一種滿足LRM模塊環(huán)境測試的試驗裝置，主要功能是在LRM模塊環(huán)境試驗時提供溫度環(huán)境控制，提供LRM模塊進行環(huán)境試驗時的機械安裝及電氣連接。其主要用于對LRM模塊工作環(huán)境的溫度控制，并滿足LRM模塊、連接器和背板等元器件的安裝和固定要求。液冷系統(tǒng)一般由液冷機箱、液冷源、出液管和回液管組成(見圖1)。本產(chǎn)品組成見表1，工作原理如圖2所示。

圖1　液冷系統(tǒng)組成示意圖

名稱型號數(shù)量備注液冷機箱TLZ—YL—15051非標定制液量接頭SPH082STAUBLI液冷管路—4非標定制流量(壓力)顯示及調試設備—1非標定制液冷源Fc1600T1Julabo溫度測量設備—1—

圖2　LRM模塊溫控系統(tǒng)組成原理

在系統(tǒng)工作時，液冷機箱放置于溫度試驗箱內，液冷源放置在箱外，液冷機箱和液冷源通過2根管路連接，管路中集成流量(壓力)顯示及調節(jié)設備。按照試驗條件要求，在給定的環(huán)境溫度(70 ℃)和熱負載(800W)下，通過調整液冷源的冷液溫度及冷液流量等參數(shù)，保證液冷機箱與模塊接觸界面溫度達到預定要求[4]。

3　液冷機箱

3.1結構

本文所設計的機箱為臺面放置使用，左、右兩側預留安裝孔，可使用安裝附件安裝固定。機箱中上、下側板為冷板，采用鋁合金3A21銑削后真空釬焊，其余零件采用鋁合金5A06銑削加工，緊固件材質為不銹鋼1Cr18Ni9Ti；鋁合金零件加工后需做彩色導電氧化處理；機箱外表面噴塑或漆。機箱的上、下側板為冷板，對模塊進行傳導冷卻，右側板為分流板，安裝有2個通徑為8mm的卡口自密封接頭，將液冷源傳輸過來的冷卻液一分為二，分別傳輸?shù)缴?、下冷板，同時將2塊冷板上回流的冷卻液匯集到一起，傳回液冷源再次冷卻。冷卻液流向示意圖如圖3所示，上、下冷板與右側板之間使用O型橡膠密封圈進行密封，密封圈為進口材質，能耐低溫，使用螺釘將各個側板聯(lián)接牢固。液冷機箱外觀如圖4所示。

圖3　冷卻液流向示意圖

圖4　液冷機箱外形示意圖

與傳統(tǒng)設計的液冷機箱比較見表2。

表2　與傳統(tǒng)設計的液冷機箱比較

通過表2比較看出，該設計思路給產(chǎn)品帶來的優(yōu)點是冷卻系統(tǒng)結構簡單、可靠性好、冷卻均勻、噪聲小、維護方便和價格比較低[5]。

3.2技術參數(shù)

3.2.1溫控指標

每個LRM模塊熱消耗功率為80W，總共10個，總熱消耗功率≤800W；供液溫度(范圍內可調)：-15～+80 ℃；使用環(huán)境溫度：5～40 ℃；供液流量最大不超過28L/min；最大壓力≤350Pa。

3.2.2可靠性、維修性要求

MTBF≥4 000h；連續(xù)工作時間≥24h；液冷機箱在維修方面具備一定優(yōu)勢，產(chǎn)品出現(xiàn)故障應能夠方便維修，更換管路及接頭快速、簡便；平均修復時間≤30min。

溫控系統(tǒng)通過調節(jié)流量和供液溫度，使模塊與機箱安裝界面溫度(見圖5)T≤66 ℃。

圖5　機箱與模塊接觸界面溫度要求示意圖

機箱內模塊布局如圖6所示，LRM模塊尺寸如圖7所示，模塊上的鎖緊條安裝孔位置在機箱詳細設計時確定。

圖6　機箱內模塊布局圖

圖7　LRM模塊尺寸圖

3.3環(huán)境適應性要求

液冷機箱應滿足如下高、低溫要求。

1)低溫貯存要求-55 ℃。

2)高溫貯存要求85 ℃。

3)低溫工作要求：液冷機箱在環(huán)境溫度為-55 ℃時能正常工作。

4)高溫工作要求：液冷機箱放置在70 ℃的溫度條件下(液冷機箱加電工作，最大發(fā)熱量800W)，溫控系統(tǒng)提供穩(wěn)定的接觸界面溫度T≤66 ℃。低氣壓：試驗高度25 000m(壓力2.5kPa)；試驗溫度為當?shù)貙嶒炇沂覝兀辉囼灣掷m(xù)時間為1min；壓力變化≤10kPa/min。低溫低氣壓：-55 ℃、15 250m，保溫保壓240min；地面高溫：+70 ℃，工作240min；地面短時高溫：+85 ℃，工作30min；高溫低氣壓：+35 ℃、21 350m，工作4次，每次工作30min；短時高溫低氣壓：+60 ℃、15 250m，保溫保壓120min；+70 ℃工作15min；+85 ℃工作5min。

4　液冷機箱試驗驗證

4.1溫度沖擊試驗

試驗溫度：最高溫度為70 ℃，最低溫度為-55 ℃；試驗溫度保持時間為2h；轉換時間>5min；循環(huán)次數(shù)>3次。達到產(chǎn)品要求。

4.2濕熱試驗

按照GJB150.9—1986中地面和機載電子設備濕熱試驗要求，高溫高濕階段，溫度為60 ℃，相對濕度為95%，低溫高濕階段，溫度為30 ℃，相對濕度為95%，試驗周期為10T，T=24h。

4.3鹽霧試驗

按照GJB150.11標準的要求，溫度調整到35 ℃，保溫時間2h后噴霧，每24h檢測一次。試驗結束后，在正常試驗大氣壓下放置48h，進行恢復、干燥。金屬防護層腐蝕面積不超過金屬防護層腐蝕面積的30%，且底金屬未出現(xiàn)腐蝕。

4.4振動試驗

試驗方法如下：1)振動方向：X、Y和Z等3個軸向(見圖8)；2)振動功率譜如圖9所示。

圖8　振動方向

圖9　液冷機箱振動功能試驗振動譜

試驗時間：每個軸向1h；振動耐久試驗量級：1.6倍。

4.5加速度試驗

經(jīng)試驗，液冷機箱能承受9g的6個方向加速度。

4.6沖擊試驗

X、Y和Z軸向規(guī)定如圖8所示，沖擊脈沖波形為半正弦波。液冷機箱能承受20g的后峰鋸齒波加速度沖擊，持續(xù)時間11ms，每個軸向18次。

4.7電磁兼容試驗

機箱設計時需考慮電磁兼容性，在復雜工作環(huán)境下能正常工作，滿足系統(tǒng)使用要求。

4.8霉菌試驗

菌種選擇根據(jù)GJB150.10A標準。溫度為30 ℃，相對濕度為90%～100%，外觀影響評定≤1。

通過上述8類試驗，驗證了該液冷機箱符合推向市場的產(chǎn)品標準，說明了該液冷機箱產(chǎn)品的有效性，為該產(chǎn)品的推廣普及奠定了堅實的基礎[6]。

5　結語

本文針對液冷技術類產(chǎn)品成本高、難維護的問題，提出了基于LRM模塊的液冷技術設計思路。首先，介紹了液冷機箱產(chǎn)品的系統(tǒng)設計方案，并論證了液冷機箱設計方案的可行性，確定了產(chǎn)品的技術指標；然后，經(jīng)過成本對比和系統(tǒng)設計方案的對比，說明了該產(chǎn)品較目前市場上的其他產(chǎn)品具有成本低、易維護的優(yōu)點[7]；最后，通過試驗證明了該產(chǎn)品的有效性，有望進一步推動液冷技術類產(chǎn)品的發(fā)展與普及。

[1] 時社萍，楊志剛. 一種軍用LRM模塊的新型插拔裝置[J]. 電子機械工程，2010(3): 37-39.

[2] 郝經(jīng)佳.高效空氣—液體冷卻及控制系統(tǒng)的研制(ALECS)[D].北京：中國科學院自動化研究所，2003.

[3] 時陽，朱興旺，張保國. 低溫液體冷卻循環(huán)器的研究與開發(fā)[J]. 低溫工程，2003(1): 56-60.

[4] 唐良寶，張平.基于熱電制冷的液冷源系統(tǒng)設計[J].世界科技研究與發(fā)展，2009(2):302-304.

[5] 王建峰. 某機動型干擾發(fā)射車液體冷卻系統(tǒng)設計綜述[J].電子機械工程，2006(2):5-8,22.

[6] 于全德. 液體黏性傳動裝置冷卻系統(tǒng)的選擇[J].中州煤炭，2009(2):33-35.

[7] 豆會均. 淺談液冷技術發(fā)展[J].江蘇航空，2011(S1):175-178.

責任編輯鄭練

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.

LRMmodules,liquid-cooledchassis,systemdesign,test

V243A

鄒左明(1978-)，男，工程碩士，講師，主要從事機械工程等方面的研究。

2016-01-27