机载机箱液冷与风冷技术的散热性能对比研究1 2赵波

　　随着电子技术的发展，高功耗电子器件的增多，且目前机箱基本都采用标准模块，热流密度大，散热空间小，随之带来的问题就是对电子设备的散热性能要求越来越高，器件过热已成为电子产品实效的主要原因之严重影响了电子设备的可靠性和工作寿命。目前，包括电源在内的各种功能器件均模块化，集成在机箱内部，文中机箱采用的ASSAC模块之间的间隙只有0.32mm.目前大部分的机载机箱采用强迫风冷进行散热，在温升为40C时，强迫风冷可以处理热流密度在0.04应温升更高、热流密度更大的设备，强迫风冷就难以满足。于此同时，随着模块化的提高，机箱尺寸不断减小，对小尺寸、高功耗的机箱采用强迫风冷，需选用尺寸更大的风机以满足散热需要的风量，这在尺寸较小的机箱内部难以实现合理布局。

　　随着机载设备的体积越来越小，单位体积内产生的热量不断增加。目前一些新型的冷却技术得到了飞速的发展，液冷机箱、液冷模块已成功运用。美国德克萨斯仪器公司已成功将液冷机箱和液冷模块结合使用在F-22飞机的电子系统中，其液冷LRM散热能力高达100W以上0.笔者对某机载机箱分别采用强迫风冷以及液冷进行了分析比较。

　　1强迫风冷分析如所示为机箱内部模块结构布局形式，由3种共6个模块组成，包括了电源模块。机箱的工作温度为-55C~+70C.各模块的功耗如表1所列。

　　机箱内模块布局表1各模块功耗模块数量功耗/W总功耗/W电源模块模块1模块2合计机箱内部模块采用标准ASSAC模块，发热器件通过导热衬垫将热量通过盒体冷板和机箱散热导轨，传导至散热导轨散热齿，并通过风机抽风进行冷却。

　　根据，W；At为空气的出口与进口温差，考虑到工作温度高为70C，采用台式机箱风道，这里初定At经过计算，所需风量为Q =70m3/h.考虑到气流通过不同的风道产生摩擦力和静压损失，造成风压降低、风速减小，导致对机箱的散热性能降低。按照设计经验一般选取1.5~2倍的裕量，采用2倍计算，所需风机风量为Q =140m3/h.按照此风量，查询常用的风机选用手册，所需风量的风机外形尺寸达到了6个ASSAC标准模块安装后的前面板外形尺寸约为144mmx160mm，若考虑到数量达40个的插座及器件需要安装，机箱的后面板则需要更大的空间才能同时满足安装接插件和风机。这在空间极为紧张的机载设备中难以实现。同时考虑到安装平台空间的有限性，在狭小的空间内设备安装密度太大，机箱的风道会受到严重的影响，降低散热效率。因此，考虑对机箱进行液冷散热。

　　液冷机箱结构形式和模块外形如、3，机箱上下液冷之间为模块，模块通过锁紧条锁紧在液冷机架的导轨上，模块两侧的导轨将电子器件的热量传导到液冷板，冷却液经过冷板带走模块产生的热量。

　　液冷机箱结构ASSAC模块外形液冷机箱热仿真分析目前液冷机箱的运用曰益广泛，特别是对于高热流密度的设备，具有更好的散热效果。

　　根据使用条件，外界环境温度70 C，由于安装在液冷机架上，入口冷却液的温度为55C，保守起见，设定冷却液恒温为65C.冷却液与金属冷板之间的对流换热系数设置为1000W/m2C，机箱与模块导轨之间设置接触热阻0.000 K/W.建立机箱的热仿真模型，如所示。仿真结果如、所示。高温度出现在模块2内，为74.3 C.表2是各模块的热仿真结果。

　　机箱热仿真模型模块内温度仿真结果机箱仿真结果由表2可知，在冷却液温度恒定为65C的情况下，模块导轨温度小于70C，根据以往设计经验以及，在井架起升过程中，主要承受井架自重，游动系统重量，二层台重量，钢丝绳重量和天车重量以及起升钢丝绳的拉力作用。在本文的计算中，井架自重由系统自动加载，其余荷载均通过ANSYS命令加载于相应位置的节点上。

　　井架起升的动力由快绳提供，由快绳拉力与起升钢丝绳拉力存在如下关系：顶部中间的位置，其方向可在图纸中测量得出。天车自重与二层台自重沿竖直方向平均分配于相应位置所对应的节点处。为使问题可解，约束工装支架处节点的竖直方向自由度，依照经验多次施加不同的起升荷载P，当求得此处的约束反力为零时所施加的起升荷载为所求真值。依次改变起升角度，求得的起升钢丝绳拉力和钩载如表1.表1起升力与起升角度的变化关系起升角度a（°）起升钢丝绳拉力（kN）钩载（T）为12；P为快绳拉力，kN；0为大钩下方两起升钢丝绳夹角。

　　井架起升位移云图在井架起升过程中，值随大钩高度的变化而变化，但变化过程缓慢，可认为准静态加载，取任意起升角度对应的0值进行计算而不考虑动效应。井架端下部除了旋转方向不加限制外，其余方向均施加约束。如所示，起升钢丝绳拉力施加于井架三段顶部和井架段横向导向滑轮处，快绳拉力施加于井架从表1可以看出，随着起升角度的逐渐增大，起升钢丝绳拉力与钩载均呈减小趋势，在起升角为15°时，钩载大值为112.4T，这是由于在井架起升之初，结构自重力臂较长，起升钢丝绳拉力和快绳拉力力臂较短造成的，在起升角度大于30°以后，钢丝绳拉力和钩载迅速减小且与起身角度变化呈线性关系。3结论采用有限元参数化编程方法对“K型井架起升过程进行计算，求得了大钩载和起升钢丝绳拉力，在井架起升之初，钩载有大值。

　　前开口“K型井架在起升过程中，起升角a变化缓慢，在钩载计算中可以当做静态问题处理，大大简化了计算步骤。通过对比钩载计算值与实测值，说明笔者计算所采用的有限元模型可靠，对井架相关计算具有指导意义。