液冷机箱内部的模块功耗大，热流密度大；模块内的电子元器件正常工作产生的热量最终传导至液冷机箱的冷却液中。液冷机箱内的流道结构设计直接决定了液冷机箱的散热性能，良好的流道结构设计能够保证机箱内部电子元器件长期稳定工作。
文中通过理论计算和仿真分析，对流道结构进行优化设计；针对优化后的结构，深入研究了环境温度、供液温度、供液流量对液冷机箱散热性能的影响。
关键词：液冷机箱；热设计；流道设计；散热性能1 引言
ATR 机箱常应用于舰载、机载、车载等运载平台上。在机箱总功耗较小的情况下，间接风冷散热方式可以解决内部散热问题，此时机箱内部单个模块 功 耗 一 般小于 50W，机箱总功耗 一 般小于400W。
随着技术的发展，单个模块的功耗增至100W，多则达到150W，若继续采用间接风冷方式，将无法满足散热需求；此时可采用间接液体冷却技术，即冷却液不与电子元器件直接接触，通过传导冷却方式将内部热量带走。
液冷散热方式已逐渐代替风冷散热方式，大规模采用该技术已成为未来的趋势。相比于风冷式散热方式，液冷散热方式具备噪音低、散热好和结构紧凑等优点。
2 液冷机箱内部模块的散热方式
模块在液冷机箱内的安装方式如图1所示，模块插入液冷机箱后，通过拧紧锁紧器来固定，此时模块右侧边沿部分与机箱插槽导轨紧密贴合。
图1 模块在液冷机箱内的安装示意图液冷机箱内部热量传导路径如图2所示：电子元器件产生的热量通过模块金属盒体传导至机箱侧壁板，最终传导至冷却液。
图2 机箱内热流方向图
间接液体冷却的电子元器件散热设计，原则是保证有一条低热阻热流通路。机箱的热设计输入参数主要决定于内部模块的电子元器件的发热功率和热流密度，而这些数据往往在项目设计初难以准确的提供（因为模块设计和机箱设计是同步进行，且通常模块方案在设计过程中还会调整）。
所以单独将负责液冷散热的机箱框架作为研究对象，给机箱插槽导轨上施加模拟热源，计算机箱框架内部插槽导轨的温度变化，可作为模块的热设计参考。
上述方法实际是先分析热流图（图 2）中的后半部分，然后将得出的边界条件带入模块热设计过程中，可提高设计效率。
3 液冷机箱总体设计
3.1 液冷机箱结构组成
如图 3 所示，本文设计的液冷机箱尺寸为540mm×264mm×300mm（宽×高×深），内部可装入18 个模块，模块尺寸为 233.35mm×160mm×24mm。
液冷机箱由机箱框架、背板（印制板）、前盖板、后盖板和标准插拔模块组成。流体连接器对称布置在机箱框架背部两侧，连接器选用通径为 8mm 的卡口式自密封流体连接器，便于安装和维修。机箱主体的结构件选用导热率较高的3A21铝合金。
图3 液冷机箱结构示意图
机箱框架由上壁板、下壁板、左侧板和右侧板组成（见图 4），上、下壁板作为冷板，对模块进行传导冷却。
右侧板为分流板，将进入机箱的冷却液一分为二，分配到上、下壁板；左侧板为集流板，将上、下壁板回流的冷却液汇集到一起，传回到外部液冷源再次冷却，如此循环往复将机箱内的热量带走。
对以上零件进行铣削加工，然后拼装后真空钎焊；这样可保证内部流道畅通，并且不易出现泄漏问题，同时可提高机箱的强度和刚度。
图4 液冷机箱框架内的流道示意图4 液冷机箱内部流道的设计与分析
并联流道容易造成支路流道流量分配不均的问题，串联流道设计简单，易于加工。本文将重点研究串联流道，将串联流道分为横向和纵向布置两种方式，后面都将进行设计和分析。
4.1 横向串联流道的设计与分析
4.1.1 横向串联流道
首先考虑易于加工的常规蛇形串联流道结构，该流道所占机箱面积小，在上壁面和下壁面均布置7行流道。根据机箱自身结构尺寸特点，尝试将流道截面设计为10mm×5mm的矩形形状，如图5所示。
在仿真模型中，将每个插槽导轨与模块接触侧设置 50W 的均布面热源，用于模拟模块热源，机箱上下共36个导轨，热耗合计1800W。使用 ANSYS Icepak软件，对机箱进行仿真计算，结果如图6所示。
图6 机箱插槽导轨温升图（横向串联流道）
从图中可以看出，机箱从左至右，导轨温度在54.9℃～64.2℃之间变化，两边导轨温度低，中间导轨温度高，如果将上述值带入模块导热端计算，则元器件温升较高，需要对流道进行优化设计。
4.1.2 横向串联流道（微通道）
液冷机箱内部冷却液与上、下壁板之间的传热方 式属于对流换热范畴 ，由牛顿冷却方程ϕ = hc·A·(tw - tf) 知，在相等换热量情况下，若要降低固体壁面温度 tw ，则要提高固体壁面换热面积 A［1］。
如图 7 所示，为了增大冷却液与机箱的换热面积，尝试采用微通道换热技术，流道内设计翅片结构，流道宽度增加到21mm，翅片厚度为1.5mm，翅片间距为3mm，截面上排布四列翅片。
图7 横向串联微通道流道及其截面图
设置相同边界条件，对机箱进行仿真计算，结果如图 8中的曲线 Y1所示，由仿真结果可以看出，流道加宽并增加翅片结构后，导轨最高温度在42℃～43.5℃之间变化，均温性较好。
与图 6 中的数值相比，机箱插槽导轨壁面温度有了大幅降低，最高温度为 43.5℃，比前一种流道形式降低了20.7℃。计算得该种流道形式的流阻为0.016Mpa。
图 8 机箱导轨温升图（横向串联微通道流道）4.1.3 横向串联流道（微通道优化）
因模块在机箱前部空间安装，热源聚集在机箱前半部分，尝试将机箱后部非热源区的流道去掉，同时考虑到机箱的重量，适当减去机箱后部一部分铝材，如图9所示。
图9 横向串联微通道流道（优化）
仿真计算结果如图 8 的曲线 Y2 所示，与曲线Y1 相比，导轨温度变化很小，可忽略不计，说明省去后部分流道对机箱的散热性能基本没有影响。此时计算得流阻为 0.012Mpa，流阻比前者有所降低；证明设计时将流道集中布置在热源附近区域是比较合理的方式。
4.2 纵向串联流道的设计与分析
下面尝试分析纵向流道设计能否满足使用需求。如图 10 所示，纵向流道的主区域布置在机箱前部热源区域，每一个插槽导轨上方附近均有一条流道通过。此时由于流道的焊接工艺限制，纵向流道横截面宽度不宜过大，所以依然尝试将流道截面设计为 10mm×5mm的矩形形式。
分别分析两种结构形式，第一种流道内部无散热翅片，第二种流道内布置两列翅片，翅片厚度为2mm，翅片间距为2mm。
图10 纵向串联流道及其截面图
同时对这两种流道结构进行仿真分析，计算结果如图11所示，其中曲线Y3和Y4分别代表无翅片和有翅 片的结果 。无翅片的导轨温升范围 为47.2℃～54.2℃，有翅片的导轨温升范围为41.9℃～47.3℃；后者的温升明显比前者低一些。两者的均温性都不理想，最右侧的第 18 个插槽导轨温度最低；这是因为第 18 个插槽导轨（最右端）靠近冷却液的入口。
图11 机箱内导轨温升图（纵向串联流道）
计算得这两种流道的流阻见表 1，其中有翅片结构的流道流阻明显较大。这是因为纵向串联流道本身的折弯较多，局部阻力损失较大；有翅片结构使得流道内部通流截面积减小，流速显著增加，沿程阻力损失增大［12］。若在实际机箱设计中采用这类结构，可将热耗偏高的功能模块排布在机箱右端附近（进液口附近）。
表1 两种纵向串联流道对应的计算流阻
5 结语
本文介绍了液冷机箱的热设计，重点研究了流道的设计。为保证液冷机箱具备较高的散热性能，对流道结构进行优化设计，通过使用ANSYS Icepak软件进行热仿真分析，总结出以下机箱流道设计要点：
1）在机箱重量无特别严格要求的情况下，可适当加宽流道，流道内设计翅片式微通道散热结构，可有效提高机箱的液冷换热效果。
2）液冷机箱后端非热源区若布置流道，对机箱内壁温升影响较小，可以省去，可有效降低流阻。
3）与横向串联流道相比，纵向串联流道有利于靠近入液口的模块的散热，但是机箱插槽导轨均温性较差，且流阻较大。综合考虑均温性、流阻和散热性能，优化后的横向串联微通道流道（4.1.3 节）可作为一种值得参考的流道形式。
4）在相同供液温度和供液流量条件下，环境温度对机箱内温升影响较小。
5）在相同供液流量和环境温度条件下，供液温度会直接影响机箱内插槽导轨的温升，供液温度若提高10℃，则导轨温升同样也接近10℃。
6）在相同环境温度和供液温度条件下，供液流量变化对液冷机箱的散热性能有一定影响。供液流量增长到一定程度时，对机箱散热性能影响会越来越小，机箱导轨温升也趋近于恒定值.
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