文/杨明明　赵亮　董进喜　白振岳

液体流经模块流体通道的液

体贯通式冷却技术是解决高密度、

低成本军用加固计算机散热的重

要方式，快速接头是贯通式液体

冷却的一个核心部件，它提供冷

却液在模块和机架之间的连通功

能。当模块插入机架时，冷却液

从快速接头的入口端流入模块壳

体的流体通道内，吸收了芯片传

导至壳体上的热量后，再从快速

接头的出口端流出。当模块从机

架上取出时，冷却液被快速接头

迅速切断而不会出现冷却液的泄

露。冷却液一旦从快速接头上泄

露，就会对计算机带来严重影响。

本文通过对影响快速接头可靠性

的各种因素进行分析，得出了影

响接头可靠性的几个重要因素，

最后给出了接头在使用过程中防

止泄露故障出现的建议。

【关键词】军用加固计算机 液体贯通式冷却

快速接头 可靠性

随着微电子技术的发展，芯片的功耗越

来越高，传统的自然散热和强迫风冷的方式已

经不能解决芯片的散热问题。与空气相比，液

体的冷却效率高许多，液体冷却是解决大功耗

芯片散热的一种有效途径。高性能的军用加固

计算机内部安装了多个的大功耗模块，模块通

过贯通式液冷壳体进行散热。在贯通式液冷壳

体与加固计算机机架安装了液冷快速接头，该

接头主要实现冷却液的快速连通与切断。当模

块插入机架时，冷却液从快速接头的入口端流

入模块冷却壳体的流体通道内，吸收了芯片经

导热垫传导至模块壳体上的热量后，冷却液再

从快速接头的出口端流出，从而达到对电子模

块冷却的目的。当模块从机架上取出时，快速

接头迅速切断冷却液，便于模块维护而不会出

现冷却液的泄露。贯通式液冷模块的工作原理

详见图1[1]。

快速接头是实现贯通式液冷的核心部件，

不仅要保证接头在连接状态下冷却液要正常流

通，而且要保证接头在分离状态下冷却液被完

全切断。在加固计算机中，冷却液泄露可造成

十分严重的后果，造成计算机不能正常工作甚

至出现“烧毁”的危险。因此，快速接头在连接和分离状态下都应当保证冷却液不能有泄

漏。军用加固计算机在恶劣环境中工作，许多

因素都会对快速接头的可靠性产生影响，导致

快速接头出现泄露故障。本文通过对影响快速

接头可靠性的各种因素进行分析，得出了影响

接头可靠性的几个重要因素，最后给出了接头

在使用过程中防止泄露故障出现的建议。

1 快速接头内部结构

快速接头一般都是成对出现，一对快速

接头包括一个阳接头和一个阴接头。受计算机

体积、重量等因素的限制，用于液体贯通式冷

却模块的快速接头的外形尺寸都很小，国内外

知名厂家的快速接头的外径均不超过12mm，

对接后的接头长度不超过30mm。为了达到即

连即通、即离即断的功能，阳接头或者阴接头

都采用活门端面密封结构。当阳接头和阴接头

完全接触，阳接头和阴接头的活门向内移动，

使得接头接通。当阳接头和阴接头完全分离，

阳接头和阴接头的活门向外移动，使得接头完

全密封。图2 为某公司的接头内部结构图。2 接头可靠性影响因素分析

2.1 极端温度

军用加固计算机工作在极端的温度条件

下，一般温度范围可以达到-55 ～ 70℃，在加

上计算机自身产生的热量，造成冷却液的温度

达到100℃以上，最高可以达到135℃。因此，

快速接头的工作温度应达到135℃以上。液冷

接头使用材料一般包括金属和橡胶材料。金属

材料完全可以承受135℃以上的高温，而部分

橡胶材料不能承受如此高的温度。因此，快速

接头在选用橡胶材料时应将橡胶的温度范围作

为选材的主要依据。目前橡胶材料的种类很多，

耐高温的橡胶种类也很多，只要橡胶原材料的

温度范围能够满足快速接头的工作温度，快速

接头就能满足极端温度的要求。因此，极端温

度不是影响接头可靠性的重要因素。

2.2 非对中性

一个模块刚性安装两个阳接头或两个阴接头，对应的机架上刚性安装两个阴接头或阳

接头。受到加工水平及工艺的限制，无法保证

模块和机架上的接头完全对中。为了解决快速

接头不同心的问题，阳接头或者阴接头设计成

“浮动”结构，即使接头不同心应能保证接头

正常拔插的通断的功能。接头的技术指标都

有关于对中性的要求，只要在机架和模块设计

充分考虑接头对中性的要求，合理的计算和分

配公差，接头的对中性就容易保证。因此，接

头非对中性不是接头可靠性的主要影响因素。

2.3 工作压力

为了保证冷却液按照一定的流量流动，

机架、模块冷却通道以及快速接头都必须承受

一定工作压力。接头密封都是通过密封圈实现，

当压力过大时可能会造成密封圈被部分挤出或

者被完全挤出，这在接头拔插过程中表现的尤

为突出。受计算机工作环境的限制，工作压力

是一个长期存在的影响因素，而且外部环境也

会导致压力出现较大波动，压力变大使得快速

接头密封圈出现故障的概率大大增加。由于工

作压力长期存在并且受到众多不可控因素的影

响，工作压力是影响接头可靠性的主要因素。

2.4 污染物

受现有工业水平的限制，冷却通道以及

冷却液中必然会残存一些颗粒污染物。由于污

染物是无法避免的，而且随着使用时间的增加，

污染物数量还会呈现出逐渐增加的趋势。快速

接头是一种十分精密的机械部件，尺寸较大的

颗粒会造成快速接头泄露故障。虽然通过污染

度控制方法可以将污染度控制在某个水平之

下，但是冷却液中的污染物却无法完全根除。

因此，污染物是影响接头可靠性的主要因素。

2.5 拔插循环次数

在调试以及使用过程中，模块需要经常从

机架中拔出或插入，每一次拔插称作一个拔插

循环。接头的拔插循环次数有明确的要求，一

般至少可以达到1000 次。因此，模块每次拔

插都会减小快速接头的拔插循环次数，当接头

拔插循环次数超过接头允许的拔插循环次数，

接头就有可能出现故障。模块在正常使用情况

过程中，快速接头的拔插次数不会超过1000

次，而且接头允许的拔插次数是在极端条件下

测试而得的数值。因此，拔插循环次数不是接

头可靠性的主要影响因素。

2.6 砂尘

砂尘是自然界中一种广泛存在的自然现

象，砂尘可以依附在计算机各个位置及部件上，

对计算机带来不同程度的影响。砂尘对快速接

头带来的最主要的影响是造成快速接头活门被

卡死或者密封圈被划伤，直接导致快速接头出

现泄露等严重故障。由于环境中的砂尘是不可

避免的，砂尘是影响快速接头的主要因素。

2.7 振动

振动可导致计算机各个零部件产生动态

位移。这些动态位移和相应的速度、加速度可

能引起或促进结构疲劳和零部件的磨损。另

外，动态位移还能导致零部件的碰撞和功能的

损坏。振动对快速接头造成的主要影响包括接

头结构松动、密封失效以及结构裂纹以及断裂

等。由于接头在设计时已经充分考虑了强度等

因素，接头一般不会出现结构裂纹以及断裂等

问题。其次，接头内部的密封圈基本上都镶嵌

在其它零件的沟槽内，一般也不会出现密封失

效。快速接头的零件大部分采用螺纹连接结构，

由于快速接头尺寸较小，螺纹的拧紧力矩较小

而且点胶防松工艺很难实现有效实施，快速接

头在振动环境下容易出现结构松动，最终导致

接头严重的泄露故障。因此，振动是影响快速

接头可靠性的重要因素。

3 结论

通过上面的分析认为，工作压力、污染物、

砂尘和振动是影响接头可靠性的主要因素，下

面给出如何有效减少这些因素对接头可靠性影

响的建议。

在工作压力方面主要防止快速接头的压

力超出其工作压力的范围。首先，应采取一定

的措施防止工作压力升高，使得压力最大值处

于接头的工作压力之下。其次，严禁带压拔插

模块。

在污染物方面应避免在污染度水平的情

况下拔插模块。计算机污染度水平一般处于初

始阶段、稳定阶段和恶化阶段。新装配、刚刚

维修以及新更换过冷却液的计算机的均属于初

始阶段，初始阶段的污染度水平比较高。当计

算机使用过较长一段时间后，冷却液污染度水

平就会急剧升高，此阶段称为恶化阶段。在初

始阶段和稳定阶段的中间阶段称为稳定阶段，

此阶段的污染度水平将长期保持在一个较低的

水平上。为了避免污染物对接头可靠性的影响，

当污染度水平处于稳定阶段才可以根据需要拔

插模块。

在沙尘方面主要采取相应的防护措施。

接头在机架中存在对接和分离两种状态，沙尘

一般对对接状态的接头不会产生影响，而对分

离状态的接头会产生严重影响。当接头一旦分

离，应对机架上和模块上接头采取相应的防护

措施，防止环境中的沙尘吸附在快速接头的表

面。

在振动方面主要通过振动试验剔除不满

足振动要求的接头。在接头安装到机架和模块

之前，应对接头进行相应的振动试验。未发生

故障的接头达到了相应的振动要求，这些产品

可以安装到机架上和模块上。发生故障的接头

未达到相应的振动要求，这些产品不能安装到

机架和模块上。

除了遵守上述建议外，其它因素虽然不

是影响接头可靠性的主要因素，也应在接头使

用过程中注意。为了提高快速接头可靠性，应

从军用加固计算机的设计、试验、使用、维护

等方面予以全面考虑。

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作者简介

杨明明（1977-），男，学士，高级工程师。

研究方向为计算机结构设计。

作者单位

中航工业西安航空计算技术研究所　陕西省西

安市　710119