液冷冷板的设计及选型

摘要:随电子设备发展,普通空冷散热冷板已无法满足散热需求,液冷冷板得到一定程度的发展。本文介绍了不同结构形式液冷冷板优缺点,提出液冷冷板设计时应注意考虑的一些问题,制定出了冷板设计流程,同时考虑了冷板选型依据。为初步接触液冷冷板的人员提供设计及选型依据。

关键词:液冷冷板  设计流程  设计选型

Abstract: With the development of electronic devices, the common air-cooled cold plate has been unable to meet the cooling requirements, the liquid cooling cold plate has been developed. This article introduced the advantages and disadvantages of the different structural of liquid cooling cold plate. The desiging of liquid cooling cold plate should pay attention to some problems, formulating a cold plate design process, taking conside of the cold plate selection principles. hence the research can provide some guidance and reference to the design and selection basis of the liquid cooling cold plate.

Keywords: liquid cooling cold plate ;design process; Design and Selection

  • 引言

现代功率电子设备正在迅速地向高集成度、高密度组装、高运行速度方向发展。作为功率电子设备核心的芯片,工作的主频越来越快,消耗的功耗越来越大,发出的热量也越来越多。若器件的散热能力不强,则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高,从而影响电子产品的寿命和使用安全性。同时卫星、宇宙飞船、飞机和导弹等航空航天器对体积和质量的严格要求,而普通风冷散热方式已无法满足电子原件散热需要,这促进了电子设备用液冷冷板冷却技术的发展。因此液冷冷板的设计和选型关系到电子设备的寿命和运行的可靠性。

  • 液冷冷板的结构及类型

液冷冷板是一种单流体的热交换器,经常用做电子设备的底座,它通过水或者其他载冷剂在通道内强迫对流,带走安装在其上的电子设备或元器件的耗散热。例如:在飞船上,经常采用液体载冷剂的循环冷却系统,将电子设备的热量传递到辐射板或飞行器蒙皮上,再排散到太空冷黑环境中。

液冷冷板有多种结构形式。其结构形式因热负荷大小、冷却剂种类、安装要求而异。较常用的结构形式有以下几种:

  • 嵌管式冷板(press-Lock tubed cold  plate)

所谓的嵌管式冷板,是指用机械外力把管子镶嵌在板内,如图1所示。金属板

图1 嵌管式冷板

和管子可以是同一种金属材料,但也可以不同。常用的此种冷板,管子选用T2的紫铜管,而金属板侧用铝材,制造时,首先在铝板上拉制出异型圆孔,之后把管子传入孔内,在一定压力下,使管子产生永久塑性变形,并把管子压平,使铝板和管子压平在一个平面内。

此种冷板可以根据电子设备的热流密度大小,合理的布置管排数,电子设备的安装孔也便于布置,冷却介质不会泄露。同时,结构简单。管与板结合紧密,导热热阻小,价格低廉。冷板表面铣削而成,表面平面度高,是一种较为常用的冷板。

B.穿管式冷板(Gun-Drilled Cold plate)

此种形式冷板与嵌管式冷板结构及特点基本形同,其管子穿在金属孔板内之后,实施胀管,使管子和内孔紧密贴合,以降低导热热阻。

图2  穿管式冷板

C.扁平管式冷板(Flat  Tube cold plate )

如图3所示,此种冷板是由拉制扁平管焊接进出集液管而成。此种冷板通道多,流体流动均匀性好,所以整个冷板表面的温度梯度小。为提高冷板表面平面度,可在扁平管表面钎焊一层金属板。并对此表面铣削加工。因为此种冷板流动通道多,流体流速低影响了传热系数,此时。可在集液管内放置折流板,通过提高冷却液流速的方法提高冷板的传热系数。

图3 扁平管式冷板

D、内翅片真空钎焊式冷板(Vacuum-Brazed Plate fin cold plate)

内翅片真空钎焊式冷板一般由盖板、底板、翅片和封条整体真空钎焊而成, 由于其内部可以填充不同结构形式,不同规格的翅片,例如:矩形开缝翅片、矩形翅片、开窗翅片、波纹翅片等等。因此设计可以多样化,可以根据不同热负荷及流阻要求,选择不同结构形式翅片,由于翅片的加入大大提高了此种冷板的散热能力。同时此种冷板流体流速容易控制,所以有很好的传热性能,内部可以制作得很薄,可以根据电子设备底座的形状和安装要求制作成不同形状。

图4 钎焊冷板结构示意图

除上述四种常用冷板之外,一些诸如:航空、航天特殊场合,亦有用微通道冷板和刻蚀通道冷板等,它们均有很高的传热系数,此处不再赘述。此外根据材质的不同可分为:铝质冷板、不锈钢冷板、钛合金冷板、铜管铝基板复合冷板等。

  • 冷板的设计流程

冷板一般为冷却系统的一部分,一般的液冷冷却系统还包括泵、冷源、膨胀罐、换热器等,冷板是冷却系统终端与电子元件换热的设备,而系统所有其他设备都是为冷板实现其散热功能所服务。因此冷板设计一般要与冷却系统设计同时考虑。在冷板设计中一般要考虑以下几个问题:

  • 冷板材质与冷却剂的相容性
  • 电子元件热负载要求
  • 冷板流阻与系统匹配问题
  • 冷板结构设计

3.1冷板材质与冷却剂的相容性

在冷却系统中,在选择冷板材质时,一方面需要考虑冷板运行的环境条件,另一方面需考虑冷板与冷却剂之间的相容性。冷板的材质可以选用铜、铝、不锈钢和钛合金等不同材质。铜导热系数高,工艺性好,对于普通大气环境、海洋性气候条件及水等液体介质是适用的。铝合金与PAO、滑油及美国3M公司生产的用于电子冷却用的氟碳化合物流体工质是相容的。纯水——乙二醇水溶液对铝合金有腐蚀,但加入硅酸盐等缓蚀剂后,对铝合金没有腐蚀[1]。不锈钢和钛合金与绝大多数流体工质是相容的,包括有腐蚀性的去离子水。不同流体工质与冷板材料的相容性见下表[2]:

表1不同流体工质与冷板材质相容性

冷板材料

流体工质

乙二醇水溶液油类PAO氟碳化合物腐蚀性液体
····————
铝合金——····——
不锈钢······
钛合金······

3.2电子元件热负载要求

电子设备及电子元件工作时,会产生部分耗散热。随着电子、微电子技术发展,电子设备正朝着高集成度组装、微组装的方向发展,因此电子元件的耗散热越来越大,而电子元件散热面的接触面积越来越小,因此电子元件就形成了较大热流密度的点热源。为更有利于电子元件更好的消散此部分热量。大热流密度的电子元件和冷板之间,常敷设导热系数较大的金属板,即:热扩展板,如图5所示。

图5  热扩展板结构示意图

通过这种敷设板可把点热源扩展为面热源,从而进行设计。

3.3冷板流阻与系统匹配

冷板为冷却系统的一部分,冷板的流阻关系到系统泵的选择,如冷板流阻过大,系统扬程较小,就会造成系统流量较小,冷板换热性能达不到技术指标要求。如果冷板流阻小,系统扬程过大,造成系统压力过高,系统“高压”运行,冷板内流速较大,影响冷板的使用寿命和可靠性。因此冷板流阻和系统泵选择一定要相互匹配。

3.4冷板结构设计

冷板结构设计,一方面注意冷板强度设计满足技术要求,另一面注意进出口管接嘴设计,特别是真空钎焊内翅片式冷板,由于冷板较薄,一般为3~10mm,所以流体进入和流出冷板的流动面积较小,有较大的流动阻力和部分流动死区,因此在结构设计时注意避免局部流动死区。

3.5冷板设计流程

综上考虑,在设计冷板过程中,一方面可根据电子元件热设计要求,选择合适的冷板,提出对冷却系统的要求。另一方面如果冷却系统参数已经确定,就需要根据电子元件热设计要求和冷却系统要求,整体设计过程如下:首先选择冷板材质,确定冷板结构形式。第二步进行冷板整体换热性能计算,确定能否在设计要求下及时带走电子元件产生的热量,第三步校核局部热流密度较大区域的换热情况及表面温度。第四部进行流阻计算。第五步进行重量计算。如果上述计算都满足系统要求,就不再调整冷板结构,否则调整冷板结构重新进行计算,知道满足要求为止。冷板计算流程图如图6所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 图6冷板设计流程图

  • 冷板选型

目前国内生产冷板厂家较少,冷板还没有产品标准。目前一些公司设计出许多标准冷板,用户可根据需要进行选择。下图7为某冷板性能曲线图,根据冷板性能曲线,在特定流量下,可以根据冷板的表面热阻、流阻与流量的性能曲线,获得此流量下的表面热阻与流阻值,以便选出合适的冷板。

图7 某冷板性能曲线图

  • 结论

本文对液冷系统用冷板进行了分析,形成以下结论:

  • 分析了不同结构形式冷板的优缺点;
  • 提出一般冷板的设计注意事项,并进行了相应的分析;
  • 指出一般液冷冷板设计流程;
  • 提出标准液冷冷板选型依据;

为初步接触冷板的人员提供一定的设计和选型指导。

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