一種液冷機(jī)箱機(jī)械設(shè)計(jì)與加工

鄧立龍

摘? 要：針對(duì)目前加固型嵌入式計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)集成化、高功率的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)加固型嵌入式計(jì)算機(jī)國(guó)產(chǎn)化需求越來(lái)越高，但由于國(guó)產(chǎn)化芯片功耗較大，所以液冷散熱在信息處理系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中的需求越來(lái)越必要。本文結(jié)合實(shí)際研究的項(xiàng)目，詳細(xì)介紹了冷板、液冷機(jī)箱、液冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、流道的設(shè)計(jì)及仿真分析、試驗(yàn)及測(cè)試驗(yàn)證等項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，形成一套具有高效散熱的一體化解決方案。

關(guān)鍵詞：液冷機(jī)箱;液冷散熱;冷板;流道

引言

隨著電子技術(shù)向小型化、高集成化、高功率化的方向發(fā)展，使得電子設(shè)備要求體積越來(lái)越小，但由于元器件數(shù)量增加，這就使得電子設(shè)備功率密度和熱流密度大幅度提高，熱量集中，局部溫度過(guò)高，如果熱量不及時(shí)散出，就會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備性能下降甚至死機(jī)。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，一般溫度每上升10℃，可靠度就會(huì)降低為原來(lái)的一半，而溫度從75℃升高至125℃，可靠度則變?yōu)樵瓉?lái)的20%。有效的熱設(shè)計(jì)方案是對(duì)電子設(shè)備的發(fā)熱元器件及散熱系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正?？煽康毓ぷ?。

傳統(tǒng)的散熱方式都存在一些弊端，風(fēng)冷散熱會(huì)帶來(lái)多余物及增大系統(tǒng)空間，而導(dǎo)冷式散熱面對(duì)功率較大系統(tǒng)時(shí)則出現(xiàn)了散熱瓶頸，而液冷散熱技術(shù)的出現(xiàn)，由于液體介質(zhì)比空氣及常規(guī)散熱鋁材有更好的換熱系數(shù)，使得液冷系統(tǒng)散熱量級(jí)為傳統(tǒng)風(fēng)冷式、導(dǎo)冷式散熱的100倍以上。

1 方案開(kāi)發(fā)需求簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)方案是一種基于嵌入式板卡傳導(dǎo)散熱所用液冷機(jī)箱的機(jī)械設(shè)計(jì)方案，該液冷機(jī)箱主要用于嵌入式板卡利用傳導(dǎo)方式將板卡所產(chǎn)生的熱量傳遞至機(jī)箱側(cè)壁，并通過(guò)與液冷機(jī)箱冷卻液進(jìn)行熱量交換而將板卡產(chǎn)生的熱量帶出機(jī)箱的散熱模式。

2 產(chǎn)品應(yīng)用需求

2.1 傳導(dǎo)液冷機(jī)箱熱需求

整個(gè)機(jī)箱分為左右兩個(gè)工作區(qū)域，左側(cè)區(qū)域散熱需求為標(biāo)準(zhǔn)6U@4HP插卡和6U@5HP插卡;右側(cè)區(qū)域熱需求為196X166X22.5mm板卡組件和 196×166× 40.0mm組件。其功耗分配如圖1：

由圖1可以得知，此傳導(dǎo)液冷機(jī)箱熱功耗及其換熱需求為1240W。

2.2 制冷需求

液冷機(jī)箱制熱交換量設(shè)計(jì)在熱需求的基礎(chǔ)上增加20%，傳導(dǎo)液冷機(jī)箱制冷量（或熱交換量≥1240x（1+20%）=1488W）。且由于液冷機(jī)箱要適于在-40℃～+60℃的工作環(huán)境，滿足在-55℃～+85℃的貯藏條件，能滿足-55℃～+85℃的溫度沖擊要求。故需要選用具有較高熱容，能在-40℃條件下不凝結(jié)，動(dòng)力粘度低并具有優(yōu)良熱傳性能的工作介質(zhì)。

① 60%乙二醇水溶液：

乙二醇水溶液作為重要的載冷劑，其物理特性對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都十分重要，60%乙二醇水溶液其物理特性為：T凝固點(diǎn)為-48.3℃，T沸點(diǎn)為110℃，密度為1086.27kg/m3@25.0℃，比熱容為3.084KJ/Kg.K@25.0℃， 粘度指數(shù)為3.70e-3Pa.s@25.0℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.43W/m.K@25.0℃。

② PAO超級(jí)冷卻液：

PAO超級(jí)冷卻液為聚α-烯烴合成油，簡(jiǎn)稱PAO，是通過(guò)化學(xué)合成方法制成的大分子組成的化合物，再經(jīng)過(guò)進(jìn)一步加工而成的冷卻液。

PAO超級(jí)冷卻液具有以下優(yōu)良特性：1.極佳的粘溫性和低溫流動(dòng)性;2.高溫抗氧化性強(qiáng);3.蒸發(fā)損失低;4.具有很好的傳熱性能，PAO冷卻劑的導(dǎo)熱性提高大約10%。此外，PAO超級(jí)冷卻液還具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，PAO超級(jí)冷卻液與礦物油可以混溶，但它的粘度指數(shù)很高，一般超過(guò)140，而且由于不含蠟，傾點(diǎn)極低，通常在-40℃以下，測(cè)定傾點(diǎn)時(shí)溫度降至-30℃油還能保持清澈透明。其物理特性為：T凝固點(diǎn)為-55℃，T閃點(diǎn)為236℃，粘度指數(shù)：131，密度：980kg/m3@25.0℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.45W/m.K@25.0℃。

工作介質(zhì)流動(dòng)動(dòng)力≤0.2MPa，冷卻液流量4.5L/min～10.0L/min。

流道設(shè)計(jì)承壓≥1.5MPa。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求

2.3.1 結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)板卡散熱需求設(shè)計(jì)優(yōu)化不同功率6U板卡和196X166組件的分布區(qū)域，左側(cè)為6U板卡的分布區(qū)域，右側(cè)為196X166組件分布區(qū)域。結(jié)合VITA標(biāo)準(zhǔn)及客戶產(chǎn)品需求，在機(jī)箱內(nèi)壁設(shè)計(jì)不同發(fā)熱組件的板卡插入槽間距、槽高、槽深及外形尺寸（如圖2）。

由上圖：液冷機(jī)箱的外形尺寸：

長(zhǎng)x寬x高（457.4mmx418.0mmx196.0mm）

槽間距：14.6mm。

槽高：9.5mm。

槽深：136.1mm。

箱體設(shè)計(jì)重量≤13.0kg.

2.3.2 流道結(jié)構(gòu)布局

根據(jù)液冷傳導(dǎo)機(jī)箱的散熱及工作環(huán)境需求，設(shè)計(jì)流體工作壓頭≦0.2MPa，流量為4.5L/min～10L/min的條件下，能充分將板卡及發(fā)熱組件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱側(cè)壁，并通過(guò)與工作介質(zhì)進(jìn)行充分熱交換而將熱量帶出機(jī)箱系統(tǒng)，從而滿足板卡及發(fā)熱組件的散熱需求的流道布局。同時(shí)考慮工作介質(zhì)與流道兼容性，并確保機(jī)箱表面溫差<10℃。

工作介質(zhì)由機(jī)箱前側(cè)壁下部進(jìn)入，分為兩路，主流路為流經(jīng)左側(cè)壁，由于右側(cè)壁熱交換的熱量相對(duì)較少，設(shè)計(jì)為附流路。工作介質(zhì)流經(jīng)左右側(cè)壁，后匯總至后側(cè)壁下部，進(jìn)入中間側(cè)壁，并流經(jīng)中間側(cè)壁，從前側(cè)壁中部下側(cè)流出機(jī)箱。

設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)熱流密度分布，合理調(diào)整流道間距。流道進(jìn)、出口采用快速接頭進(jìn)行連接（如圖3）。

2.4 應(yīng)用環(huán)境要求

工作環(huán)境溫度：-40℃～+60℃

儲(chǔ)藏溫度：-55℃～+85℃

熱沖擊：-55℃～+85℃

振動(dòng)：15～2000Hz@0.1g/Hz

沖擊：20g/11ms

平均使用壽命：100，000Hr

并滿足霉菌、鹽霧測(cè)試要求。

3 熱仿真模擬分析

3.1 模擬分析模型

箱體材料為：6061 T6

加熱模塊材料：C1100（體積塊加熱）

流體進(jìn)出口封蓋：Insulator

環(huán)境溫度：25.0℃。

3.2 模擬流道模型

流道為D6.0mm流體槽。

入口流量：4.5 l/min。

入口壓力：0.2Mpa。

出口設(shè)置為：環(huán)境壓力。

流體工質(zhì)為：60%乙二醇水溶液。

3.3 熱源模型設(shè)置及分布如圖4

加熱模塊材料：C1100（體積塊加熱）。

溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)為體積熱模塊最高溫度和實(shí)體表面溫度。

3.4 流體分析結(jié)果

圖5為液冷流體壓力矢量圖。由圖可以看到在4.5 l/min的流量條件下，流體進(jìn)出口壓降為0.54Atm，小于設(shè)計(jì)要求2.0Atm的要求。

圖6為液冷流體溫度梯度圖。由圖可以看到在4.5 l/min的流量條件下，流體進(jìn)出口溫差為5.0℃。流體溫升滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7為箱體最高溫度梯度分布圖，箱體外側(cè)表面最高溫度32.5℃，箱體表面要求溫差<10℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

從以上模擬分析結(jié)果可知，現(xiàn)有流體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足不同插板的冷卻需求，能有效將不同板卡產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)交換和流體熱交換，將熱量帶出液冷機(jī)箱。

4 液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作方法：

4.1 左、中、右側(cè)壁加工方法

左、中、右側(cè)壁皆由兩部分組合而成，根據(jù)不同設(shè)計(jì)需求，加工流道及插槽。

左側(cè)壁左部由厚度4.0mm 鋁合金板（6061 T6）加工而成，通過(guò)NC加工制作出流道槽路;利用厚度13.5mm鋁合金板（6061 T6）NC加工左側(cè)壁右部流道槽路和固定插槽（符合結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)），如圖8左側(cè)壁分解加工及組裝圖。

右側(cè)壁右部由厚度4.0mm 鋁合金板（6061 T6）加工而成，通過(guò)NC加工制作出流道槽路;利用厚度13.5mm鋁合金板（6061 T6）NC加工右側(cè)壁左部流道槽路和固定插槽（符合結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)），如圖9右側(cè)壁分解加工及組裝圖。

中間側(cè)壁左右部由厚度13.5mm鋁合金板（6061 T6）NC加工流道槽路和固定插槽（符合結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)），如圖10。

4.2 前后側(cè)壁加工方法

液冷機(jī)箱前后側(cè)壁采用鋁合金板（6061 T6）利用NC加工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形狀，并利用深孔加工出相應(yīng)流道，如圖11。

4.3 上蓋板、底板加工

上蓋板和底板采用鋁合金板（6061 T6）利用NC加工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形狀，如圖12。

上蓋板和前側(cè)壁把手采用不銹鋼U形拉絲把手設(shè)計(jì)，通過(guò)M4螺釘與上蓋板和前側(cè)壁鎖合在一起，以保證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

上蓋板通過(guò)不松脫螺釘與箱體鎖合在一起。

5 液冷機(jī)箱組裝、焊接

將加工完成的左、中、右側(cè)壁各部分及前后側(cè)壁進(jìn)行酸洗、堿洗、水洗→焊接表面進(jìn)行焊劑噴淋→左中右側(cè)壁組裝→焊接治具定位→裝配前后側(cè)壁→定位、夾緊各側(cè)壁組件→真空焊接→松脫定位、夾緊治具→焊劑清洗→烘干→箱體表面清潔處理→箱體外觀處理（表面拋光、局部校形）→箱體外形、焊接、結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)（外形尺寸附合設(shè)計(jì)要求，焊接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無(wú)變形、無(wú)露焊、無(wú)明顯焊疤、焊縫平滑完整）→箱體流體進(jìn)出口附加工藝管。

6 流道密封性檢驗(yàn)及表面處理

6.1 流道密封性檢測(cè)

利用高壓N2氣體通過(guò)工藝管進(jìn)行流道密封性和承壓檢驗(yàn)（≥1.5MPa）。

6.2 流道內(nèi)表面鍍鎳處理

流道內(nèi)表面清洗，堿蝕，酸蝕，將浸鋅溶液以一定流速注入流道（浸鋅二次），流道內(nèi)表面清洗，并以一定流速注入化學(xué)鍍鎳溶液先堿鍍后酸鍍（化學(xué)鍍），經(jīng)一定時(shí)間化學(xué)鍍鎳表面沉積，在流道表面形成一定厚度化學(xué)鍍鎳層（≥5um），清洗，封閉，烘干（以上制程分別通過(guò)循環(huán)泵將水、清洗液、浸鋅液、化鍍液經(jīng)進(jìn)口工藝管注入流道，并經(jīng)流道出口流出，使流道形成流體環(huán)路）。

7 箱體表面處理

加工箱體及上蓋板、底板安裝孔位，封閉流道工藝管，箱體及上蓋板、底板進(jìn)行導(dǎo)電陽(yáng)極處理，之后箱體及上蓋板和底板外表面進(jìn)行粉沫涂鍍處理（所有安裝孔位進(jìn)行遮蔽處理）。

8 箱體結(jié)構(gòu)組裝

箱體鎖合螺孔裝配牙套，安裝前側(cè)板把手。

在箱體前側(cè)壁安裝快換接頭。

用M4十字平頭螺釘將底座固定在底板表面，并用M4十字平頭螺釘將底板組件鎖合裝配至箱體下表面。

將上蓋板把手裝配到上蓋板上，并在上蓋板鎖合松不脫螺釘。之后將上蓋板組件鎖合到箱體上。如圖13。

9 箱體檢驗(yàn)

9.1 結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)

外觀檢驗(yàn)附合相關(guān)導(dǎo)電陽(yáng)極處理和粉沫噴涂標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)件裝配滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

9.2 流道檢驗(yàn)

流道密封性符合設(shè)計(jì)要求，在環(huán)溫條件下，采用60%乙二醇水溶液，流量、流阻、流速滿足設(shè)計(jì)要求。

9.3 熱交換性能檢驗(yàn)

根據(jù)圖1附加熱測(cè)試模塊，在環(huán)溫條件下，在一定流量條件下（4.5l/min～10.0l/min），檢驗(yàn)工作介質(zhì)溫升、箱體表面溫度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

9.4 應(yīng)用環(huán)境檢驗(yàn)

參照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

10 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)液冷機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、整體架構(gòu)、流道分析、冷板設(shè)計(jì)、熱仿真分析、加工工藝，一一闡述了液冷散熱系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和散熱性能，充分說(shuō)明了采用液冷式散熱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙享殳，李家樾.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理.江蘇科學(xué)技術(shù)出版社.1986.

[2]金晹霖.一種新型的液冷機(jī)箱及冷板散熱系統(tǒng)的研究.貴陽(yáng)：貴州航天電器股份有限公司，2016（08）.

責(zé)編/李雪敏