船載水冷機柜的結(jié)構(gòu)及散熱分析

楊 濤

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

船艦在發(fā)動與執(zhí)行任務(wù)時，其電子設(shè)備運行會產(chǎn)生大量熱量，這時候就需要有單獨的設(shè)備對其進行冷卻降溫，以維持電子設(shè)備在安全的溫度下，確保整條船艦安全穩(wěn)定運行，因此對于冷卻設(shè)備的研究尤為重要。

傳統(tǒng)的用于船艦電子設(shè)備冷卻的方法是強迫風(fēng)冷[1]。設(shè)備的散熱能力和內(nèi)部工作溫度受環(huán)境影響巨大，而且隨著空氣對流還加劇了有害物質(zhì)進入柜體腐蝕元器件，設(shè)備的穩(wěn)定可靠性降低，同時風(fēng)機產(chǎn)生的高分貝噪音以及熱量傳遞不到位導(dǎo)致的艙內(nèi)升溫都會影響正常的船上作業(yè)[2]。

傳統(tǒng)的機柜冷卻方式不僅不能滿足機房的散熱需求,而且還會造成大量的能源浪費。尋求節(jié)能的冷卻方式是實現(xiàn)機房節(jié)能降耗的迫切要求，液冷散熱技術(shù)是其中的有效方法之一。液冷散熱逐漸受到重視和研究，其基本原理是通過液體的流動帶走熱量進而達到散熱效果[3]；較傳統(tǒng)冷卻方式來說，散熱效率提高顯著，而且溫度穩(wěn)定可控，噪音小，滿足了現(xiàn)有船艦電子設(shè)備的散熱要求。較為常見的氣液式水冷機柜包括柜體和水冷機構(gòu)。水冷機構(gòu)設(shè)于柜體內(nèi)，包括有水冷分配器及流體通道，流體通道連接水冷分配器。水冷機構(gòu)還包括多個水路分歧器，各水路分歧器具有冷水輸入部及熱水輸出部，冷水輸入部與熱水輸出部連接流體通道，用于對接設(shè)置于柜體中的服務(wù)器主機。熱交換機構(gòu)設(shè)于柜體內(nèi)且連接該流體通道。

本文對生產(chǎn)的一種氣液式水冷機柜的整機散熱、風(fēng)路設(shè)計、氣液換熱裝置及對應(yīng)的冷板進行從部分到整體的三維仿真分析。

1 整機熱仿真

整個機柜的主要熱源為內(nèi)部的變壓器端，因此對機柜熱源回形風(fēng)路進行模擬仿真，使用8臺AC 4400FNN型風(fēng)機[4-5]進行熱仿真(送風(fēng)溫度設(shè)定42 ℃)，研究該狀態(tài)下的散熱效果，評估結(jié)構(gòu)設(shè)計及散熱器件選型的可行性。

1.1 仿真模型

如圖1所示，截取機柜內(nèi)變壓器散熱端進行熱仿真，尺寸與機柜原尺寸保持一致。一共使用8臺風(fēng)機，上、下層各4臺。

圖1 變壓器端仿真模型示意圖

1.2 邊界條件

風(fēng)機送風(fēng)溫度：42 ℃(下層4臺風(fēng)機)。

熱源功耗：4個變壓器總功耗2 000 W。

風(fēng)機選型：AC 4400FNN(如圖2及表1所示)。

圖2 風(fēng)機特征曲線

表1 風(fēng)機型號

1.3 仿真結(jié)果

1.3.1 進出口風(fēng)機參數(shù)明細表(溫度、流量、換熱量)

進風(fēng)溫度42 ℃，出風(fēng)溫度約為51 ℃，溫升9 ℃；風(fēng)量共計691 m3/h，風(fēng)壓約為40 Pa(如表2和表3所示)。

表2 風(fēng)機溫度設(shè)定參數(shù)

表3 風(fēng)機壓力和風(fēng)量參數(shù)

1.3.2 變壓器表面溫度云圖

位于后側(cè)位置的2個600 W變壓器溫度約為120 ℃，前側(cè)的600 W變壓器最高溫約為114 ℃，200 W變壓器最高溫約為146 ℃(如圖3所示)。

圖3 變壓器表面溫度云圖

1.3.3 截面速度云圖

從截面速度云圖可以看出，機柜底部風(fēng)量較小，導(dǎo)致200 W變壓器散熱性相對低(如圖4所示)。

圖4 截面速度云圖

2 氣液交換器熱仿真

氣液換熱器是整個機柜的核心散熱裝置，通過冷卻液經(jīng)過水分配器進入冷板中帶走元器件的熱量，然后通過風(fēng)冷帶走換熱器的熱量，進而達到散熱的效果。因此，有必要對氣液換熱器進行熱仿真，以校核其散熱效果是否滿足技術(shù)要求，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和選型的參數(shù)。

2.1 仿真模型

氣液交換器仿真模型如圖5所示。

圖5 氣液交換器仿真模型

2.2 邊界條件

冷卻液：流量為6.75 L/min、35 ℃的50%乙二醇。

風(fēng)機：AC 4400FNN型風(fēng)機。

初始風(fēng)溫：51 ℃。

模型：機柜共2塊，四進四出的換熱器，仿真模型選用單塊換熱器的1/2。

2.3 仿真結(jié)果

參數(shù)設(shè)定如表4所示，IN，OUT為冷卻液進出口；FAN為風(fēng)機；OPENING為出風(fēng)口。換熱量520 W,冷卻液進出口溫差1.3 ℃, 風(fēng)溫溫差4.0 ℃,風(fēng)機出風(fēng)量共計335 m3/h。

表4 參數(shù)設(shè)定

考慮到系統(tǒng)整體壓阻大小受換熱效率的影響，換熱器與冷板模塊為串聯(lián)結(jié)構(gòu)：其中冷板模塊為3塊冷板并聯(lián)結(jié)構(gòu)；換熱器端受銅管內(nèi)徑的限制壓阻較大，整個系統(tǒng)將有2塊換熱器串聯(lián)組成，每塊換熱器形式為四進四出，這樣能有效降低壓阻。根據(jù)換熱器的串并聯(lián)情況，2塊四進四出的換熱器總壓阻約為0.39 MPa。

3 冷板熱仿真

冷板上安裝著需要散熱的元器件，冷卻液流過冷板內(nèi)部流道達到帶走熱量的效果，根據(jù)已知的主要熱點的分布情況，設(shè)計流道的大小及流動軌跡，并對此進行熱量仿真來校核散熱效果以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.1 仿真模型

模型簡化處理如圖6所示。

圖6 冷板正反面示意圖

3.2 邊界條件設(shè)置

冷卻液：36.4 ℃的50%乙二醇(冷卻液溫度為換熱器出液溫度)。

冷卻液流量：9 L/min(3塊冷板共27 L/min)。

熱源功率：共計1 450 W。

3.3 仿真結(jié)果

進出口溫差2.7 ℃，壓差0.066 MPa(如表5所示)。

表5 進出口參數(shù)表

冷板表面最高溫59.9 ℃，滿足設(shè)計要求(如圖7所示)。

圖7 冷板表面溫度云圖

4 結(jié)束語

通過對整機及局部的三維仿真，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)尺寸滿足技術(shù)要求。變壓器端：在現(xiàn)有的冷卻方式下，受位置的限制，后側(cè)的變壓器溫度過高，其中200 W換熱器最高溫約為182 ℃，散熱不充分。換熱器端：整個機柜采用2塊換熱器串聯(lián)，每塊換熱器形式為四進四出。通過仿真換熱器，總換熱量約為2 080 W，滿足換熱需求。冷板端：在單塊冷板供液9 L/min，冷卻液為36.4 ℃、50%乙二醇的冷卻條件下，冷板表面最高溫約為59.9 ℃，滿足熱設(shè)計要求。散熱系統(tǒng)壓阻：換熱器端總壓阻約為0.4 MPa，單塊冷板壓阻0.066 MPa，預(yù)計整體壓阻在0.5 MPa以內(nèi)。仿真方法及內(nèi)容驗證技術(shù)要求并優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及選型設(shè)計，并為其他船載或車載水冷機柜提供有效嚴謹?shù)脑O(shè)計方案指導(dǎo)，對水冷機柜的整機設(shè)計標準化提供相應(yīng)的技術(shù)和樣機支撐。