一款液冷机箱的散热结构设计与分析应用

引言

随着电子元器件日益微型化、小型化、多样化，其功率密度也越来越高，在工作时所产生的热量大幅增加，导致元器件内部温度不断升高，进而引发一系列因热失效导致的问题，这就对系统散热设计提出了更高的要求。

业内普遍采用的散热解决方案为风冷散热，需要设计风扇组件结构进行强迫散热，但也带来了风扇高噪声、高频振动损坏、影响风扇寿命及可靠性等一系列问题；此外，风冷散热需要结合面板开孔结构来实现内外部空气循环，引发了防水、防尘的问题。为解决上述问题，需要进行额外的结构设计，因此风冷散热普遍朝着大体积、多热管和超重量的方向发展，不适用于高温、高湿、高盐雾的海洋恶劣环境。

本文介绍的液冷机箱是一款适用于舰载设备的6U机箱，采用强迫液冷散热方式，通过水泵（液冷源）使得冷却液在系统内部流道中循环流动，从而将系统内部电子元器件所产生的热量带走，降低机箱内部的温度[1]，从而确保电子元器件能够正常工作。强迫液冷散热方式使用的液体介质（比如60%乙二醇水溶液、PAO超级冷却液等）比空气及常规散热铝材有更好的换热系数，这就使得液冷系统的散热能力是传统强迫风冷式散热的100倍以上，因此，很多电子设备开始使用液冷散热方式冷却。

1液冷机箱总体设计

强迫液冷机箱采用封闭式设计，整体外观如图1所示。机箱由箱体、安装在机箱内部的功能模块、印制板（PCB板）、安装于后面板和航插面板上的连接器等组成，内部结构示意图如图2所示。

1.1机箱箱体结构设计

标准6U机箱，外形尺寸为540 mm（长）X288.1 mm（宽）X270 mm（深，不包含导向销长度），该机箱箱体主要由机箱主体、前面板组件（包括支耳、左前面板、右前面板、调试区面板）、背板加强筋、后面板组件（包括上后面板、上后面板盖板、下后面板、航插面板、导向销等）和流体连接器插座等组成,如图3所示。

机箱主体的左侧板、顶板和底板均为液冷冷板内部液冷流道设计,通过真空钉焊为机箱主体框架,再与前面板组件、后面板组件通过螺接方式装配在一起。其中,前面板、后面板与机箱主体端面接触处有密封圈凹槽设计,采用导电密封圈进行密封；机箱主体内设计有多组插槽,各模块通过楔形条锁紧装置固定于插槽中[2]；机箱航插面板和上后面板依据用户使用连接器型号和数量设计具体的开孔尺寸。

1.2模块冷板结构设计

1.2.1模块整体结构设计

模块内部有各种芯片及电子元器件等,均属于发热元器件,无法实现自然冷却。所以在实际模块设计中将发热元器件的热量传导至模块冷板对应的凸台上,在各芯片与凸台之间会通过0.5 mm或者1 mm厚度导热硅胶进行30%左右压缩量的压缩贴合,将热量传导至模块的冷板上,再通过冷板两侧热传导面将热量传导至机箱。整个模块示意图如图4所示。

1.2.2子卡冷板结构设计

模块子卡壳体材料选取的是铝合金5A06,内部凸台具体位置以及高度依据相对应模块上芯片具体尺寸而定,子卡壳体内部凸台结构如图5所示,另会依据印制板（PCB板）具体布线以及子卡壳体结构强度要求来确定螺钉固定位置。

1.2.3子卡均温板结构设计

有些模块中含有更大功率发热元器件时,例如电源芯片、光模块等,模块子卡壳体一般采用均温板材质（即均热板）,同样均温板材质子卡壳体结构内部也加工有多个凸台,电子元器件的热量通过导热硅胶传输到凸台上再到子卡壳体上,再通过机箱接触面将热量散发出去。使用均温板材质加工的子卡壳体内部结构如图6所示。

均温板的工作原理具体来说就是其真空腔底部的液体在吸收电子元器件（如芯片等）热量后，蒸发扩散至真空腔内，将热量传导至散热鳍片上，之后冷凝为液体回到底部。这种过程即液体在真空腔内快速循环，类似于冰箱、空调的蒸发、冷凝过程，实现了相当高的散热效率。

2机箱箱体散热设计

机箱液冷流道采用“蛇形流道”设计，整个机箱的散热路径如下：工作介质从左侧板侧壁（进液口处）流入顶板后再次流入左侧板的下部进入底板，最终流回到左侧板侧壁（出液口处），如图7所示。左侧板端面处安装有一进一出的流体连接器插座，后对接连接器插头再通过压力管路连接到液冷源上。

考虑机箱的轻量化设计，保证机箱整体轻度，采用5A06铝合金板来加工机箱主体。该材料的机械性能指标包括导热系数λ铝=201 W/（m.K）；比热容C铝=871 J/（kg.K）；抗拉强度σb=315 MPa[3]。

其中机箱主体部分左侧板、顶板和底板通过NC加工流道槽路，之后通过真空电子束钉焊焊接3 mm铝合金板于流道凹槽上端面，整体形成密闭流道，焊接完成后通过无损探伤检测焊缝情况。

3液冷机箱热仿真技术与分析

热仿真技术就是借助热仿真软件对液冷机箱中各模块在工作环境下涉及的功耗情况等传热现象进行仿真计算，并对机箱的散热特性进行预测，通过结果分析从而对机箱整体散热结构进行优化。

3.1边界条件设置

印制板（PCB板）材料为M7，材料导热系数设置为20 W/（m.K），机箱材料为5A06铝合金，导热系数为201 W/（m.K），模块子卡壳体材料和机箱一样，都是5A06铝合金材料。

该液冷机箱内部各模块安装位置温度如图8所示，机箱总功耗为745 W，其中机箱内部各模块功耗如表1所示。

为建立数学仿真模型，减小数值计算的运算量，对物理模型进行如下假设：

（1）机箱持续运行处于正常工作状态下，整体的流动与换热为稳态；

（2）由于主要仿真机箱内部温度分布，因此将螺纹孔等结构忽略不计；

（3）液冷是采用管道液冷的方式，液体介质为去离子水，进口供液流量为1 L/min，连接器直径为5 mm，计算得到进液口流速为0.7 m/s，进液温度为25节。

通过ANSYS软件中ICEPAK对机箱温度进行热仿真分析，整体温升边界条件设定为环境温度55节，默认气体为空气，材质为铝合金，给所有模块热源按其功率大小施加功率载荷，给外表面加对流边界，辐射采用D0模型，给液体进口施加固定速度，采用零方程揣流模型，不计重力等体积力影响。

3.2热仿真分析

从仿真结果来看，在环境温度为55节、进液口温度为25节的情况下，模块最高温度为47.1节，对应入口温升22.1节，机箱整体温度分布如图9和图10所示，满足客户需求（特别说明：仿真基于模型简化和一些物理条件的近似，仿真结果和实际一般都存在一定差距，热仿真结果分析在未经试验验证前仅供参考）。

4结束语

此处设计的液冷机箱应用于舰载情况下满足了以下功能：

（1）机箱为密闭机箱，可以在高温、高湿、高盐雾的海洋恶劣环境下正常工作；

（2）该机箱工作时，电子元器件的热量通过导热胶垫—凸台—模块子卡壳体传递至机箱接触面上，并通过液冷循环流道将热量散发出去，使该机箱可以在高温情况下正常工作；

（3）通过上述热仿真分析结果可以得出，该液冷机箱液冷流道设计能够满足环境温升要求。

该液冷机箱能通过“蛇形”液冷流道形式解决大功耗散热问题，从而提高了设备在高温、高湿、高盐雾环境下应用的可靠性，因此对同类型机箱的设计具有一定的参考意义。