大型綜合機(jī)架液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃誠(chéng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

伴隨航空電子設(shè)備綜合化程度地提高，電子設(shè)備越來越多地開始采用液冷技術(shù)。液冷電子設(shè)備運(yùn)行的工作可靠性在很大程度上取決于液冷流量分配的正確程度[1-4]。

基于型號(hào)工程的要求，需設(shè)計(jì)一種八層結(jié)構(gòu)的大規(guī)模綜合模塊化液冷機(jī)架，承載標(biāo)準(zhǔn)ASAAC封裝的電子功能模塊數(shù)量近200個(gè)。由于系統(tǒng)綜合化集成度非常高，總熱耗達(dá)到約9 000 W，單個(gè)模塊熱耗從30 W至230 W分布不等。而模塊布局設(shè)計(jì)依據(jù)功能需求進(jìn)行排布，難以實(shí)現(xiàn)熱載荷的平均分配設(shè)計(jì)原則。因此，如何在有限的液冷資源的情況下，實(shí)現(xiàn)該綜合模塊化系統(tǒng)精準(zhǔn)的熱控設(shè)計(jì)，成為項(xiàng)目的一大難點(diǎn)。

同時(shí)，由于該綜合模塊化系統(tǒng)非常龐大，若使用傳統(tǒng)的CFD方法，在保證分析精度的前提下，其計(jì)算規(guī)模也十分龐大，總計(jì)算網(wǎng)格數(shù)將高達(dá)2～3億，計(jì)算過程花費(fèi)時(shí)間周期非常長(zhǎng)。如需在設(shè)計(jì)之初對(duì)就液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案形成指導(dǎo)性意見，則必須要進(jìn)行多輪方案的反復(fù)迭代，無法滿足方案設(shè)計(jì)階段的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)要求。

1 液冷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 分流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合機(jī)架中包含近200個(gè)ASAAC標(biāo)準(zhǔn)模塊，其熱耗分布并不均勻，在這種復(fù)雜工況下的，若要對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行精確匹配設(shè)計(jì)顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

因此，在機(jī)架的液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，通過對(duì)發(fā)熱量與冷卻資源的詳細(xì)梳理，對(duì)流體流量制定兩級(jí)分流的并聯(lián)分配方案：

1）對(duì)于熱耗100 W以下的多數(shù)模塊，其散熱需求在液冷條件下相對(duì)容易滿足，因此采用集中冷板傳導(dǎo)的方式進(jìn)行散熱：從綜合機(jī)架流體總線上分配流量至8層并聯(lián)冷板（如圖 1 ），每層模塊共用其上、下冷板的液冷資源，充分發(fā)揮冷板集中散熱的高效特性，由此解決90%以上模塊的散熱問題。

圖1 八層并聯(lián)分流示意

2）對(duì)于集中熱源超過100 W的模塊，設(shè)計(jì)時(shí)在一級(jí)分流的基礎(chǔ)上補(bǔ)充二級(jí)并聯(lián)分流設(shè)計(jì)：通過局部模塊對(duì)應(yīng)的冷板組件進(jìn)行二次分流，實(shí)現(xiàn)流量精準(zhǔn)設(shè)計(jì)匹配，將冷卻資源定點(diǎn)供給到這部分高熱耗的模塊，形成局部模塊針對(duì)性穿通冷卻（如圖 2），由此解決該類高熱耗模塊及單元的散熱問題。

圖2 冷板二級(jí)分流到穿通模塊

1.2 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

綜合機(jī)架設(shè)計(jì)為8層結(jié)構(gòu)形式，液冷系統(tǒng)由冷板組件、穿通液冷模塊、液冷接頭、管路組件構(gòu)成，如圖3所示。冷卻介質(zhì)通過機(jī)架主分、匯流管路對(duì)各層冷板進(jìn)行流量分配，管路與冷板組件之間采用快卸式自密封流體連接器進(jìn)行連接，方便裝卸與維護(hù)。

圖3 綜合機(jī)架液冷系統(tǒng)構(gòu)成

2 支路流量詳細(xì)設(shè)計(jì)

在本液冷系統(tǒng)中，由于每層模塊的總熱耗相差較大，在一級(jí)分流中，流量需求大的冷板需要約5 LPM，而流量需求小的冷板的供液流量?jī)H3 LPM。要保證流體總線對(duì)于各節(jié)點(diǎn)分配的流量要求，在方案設(shè)計(jì)時(shí)就必須進(jìn)行預(yù)先計(jì)算與分析。

機(jī)架的一級(jí)分流和穿通模塊的二級(jí)分流的設(shè)計(jì)依據(jù)分支流理論進(jìn)行。若要求各分支流流量精確配置，就需要在設(shè)計(jì)中對(duì)各支路節(jié)點(diǎn)的靜壓進(jìn)行預(yù)設(shè)：通過對(duì)流道管路流阻進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)需要較大流量的管路兩端保留較大差壓，同時(shí)控制較小流量的管路兩端壓差數(shù)值，使其流量相對(duì)較小，這就是機(jī)架分流設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想[5]。

根據(jù)機(jī)架內(nèi)部各支路的散熱能力需求，在U型流道分流靜壓特點(diǎn)下，輸入條件是流體總線上流量Q和支路的預(yù)估流量[6-8]。依據(jù)伯努利方程，對(duì)冷板、模塊的流道建立U型流動(dòng)計(jì)算支路、節(jié)點(diǎn)壓力的數(shù)學(xué)模型：將每個(gè)支流的靜壓損失，表示成二次函數(shù)形式，見圖4。

圖4 U型流動(dòng)模型

通過假設(shè)最后一個(gè)支路流量Q3(n)，可代入以上計(jì)算模型，得到：

分支流和匯流支路間間隔流道的壓力關(guān)系如下：

通過以上方法，就可以將n-2，n-3…進(jìn)行遞推，得到各支路的流量與流道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)壓力的數(shù)值關(guān)系[9]。最終通過設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)支管路的物理參數(shù)，達(dá)到流道壓力和流量的精確分配目的。

最后，結(jié)合工程項(xiàng)目，通過優(yōu)化局部管路通徑、轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)等方式，調(diào)節(jié)流道結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)的靜壓，達(dá)成液冷系統(tǒng)內(nèi)各支路流量的匹配設(shè)計(jì)（如圖5），從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)要求。

圖5 流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

3 結(jié)果驗(yàn)證

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中采用分支流理論建立U型流道計(jì)算數(shù)學(xué)模型，結(jié)合矩形通道的熱力計(jì)算關(guān)聯(lián)式，得到流體內(nèi)部靜壓的具體分布參數(shù)，從而對(duì)應(yīng)模塊間、管路間的差壓、流量分布。于是可以通過局部調(diào)整管路物理參數(shù)獲得其流量對(duì)應(yīng)的分布關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了物理特征、壓差、流量計(jì)算的綜合統(tǒng)一。

圖6 流量分配圖

圖7 詳細(xì)設(shè)計(jì)后的實(shí)物管路

圖8 U型流道計(jì)算結(jié)果與實(shí)物測(cè)試

通過上述迭代計(jì)算的流量分配結(jié)果（見圖6），與詳細(xì)設(shè)計(jì)后的實(shí)物管路（見圖7）流量與壓力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

從對(duì)比結(jié)論可以看出（見圖8），在供液流量30 LPM的以內(nèi)時(shí)，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)物測(cè)試流阻曲線結(jié)果誤差在10～15 %。而該計(jì)算方法不需要詳細(xì)的設(shè)計(jì)模型，適用于方案初始階段進(jìn)行初步評(píng)估和快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)大型復(fù)雜電子設(shè)備的液冷系統(tǒng)開展分流布局規(guī)劃，并通過理論計(jì)算調(diào)節(jié)支流管路物理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)流道內(nèi)壓力與流量的快速匹配設(shè)計(jì)。最終通過測(cè)試驗(yàn)證，證明了該方法的有效性。該方法由于計(jì)算簡(jiǎn)單，尤其適合大型液冷系統(tǒng)在工程方案階段快速響應(yīng)設(shè)計(jì)。