液冷散热系统概述

1 液冷设计概述

热量转移过程有大量液态流体参与的热设计方案,可以认为是液冷设计。在消费电子,尤其是手机、平板电脑等内部空间受限的产品中,有时某些厂家“夸张地”把热管或者蒸汽腔的使用也归结为液冷设计的范畴。虽然热管内确实有液体存在,但这些液体份量极小,其循环也不必使用泵,而是借助重力或者毛细力实现回流,其充当的是一种低热阻的导热结构件,结构的灵活性受到了很大限制。应该说,热管的使用,仅是一种形式上的液冷设计,一般来讲,并不将其归类到液冷设计的范畴。

液冷散热系统概述

通常,根据发热元件与液体介质的不同接触方式,液体冷却又被分为直接液冷和间接液冷。下面分别概述这两种冷却方式。

1.1直接液冷

直接液冷又称浸没式液冷,即设备直接浸泡在液体中进行冷却的方法。目前技术尚不成熟,未得到大规模商用。其难点在于冷却液的稳定性、系统的密封、系统内部的压力控制等。

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直接液冷图示

浸没式液冷的维护面临很大挑战。浸没式液冷的工质一般有矿物油和氟化液两类。其中,矿物油沸点高,不易挥发,密封要求低,但矿物油粘度较大,将设备取出冷却池后,将附着大量工质,难以处理。而电子氟化液粘度低,易挥发,设备取出冷却池后附着的液体少且会迅速挥发,无工质附着问题,便于插拔线缆、更换板卡的动作。但由于沸点低,挥发性强,设备密封性要求极高,否则,冷却工质的逃逸会持续降低冷却效率,且氟化液价格高昂,定期补液不仅增加维护费用,还将提高冷却成本。冷却剂的泄露,有时还会对环境产生影响。因此,密封不严对低沸点工质的直接液冷系统影响很大。

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使用低沸点工质的浸入式液冷时,密封性设计还要考虑设备内部气压问题。工质的持续沸腾生成的气体会增加系统内部的压强,如果工质的冷凝环节出现故障,沸腾的气体不能及时重新液化,内部的气压就可能丧失平衡,逐渐上升,甚至导致“爆缸”等毁灭性事故。因此,直接液冷设计需要一整套综合管理系统,充分考虑复杂系统各部分的异常情况处理。

1.2 间接液冷

间接液冷实际上就是常见的冷板或冷头+冷排的设计。元器件发出的热量通过连续流动着液体的冷板带走,流经冷排时热量散逸,温度降低。降低温度后的流体再返回冷板,继续吸热,如此完成循环。

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封闭式单循环液冷系统

 

水冷散热是目前最常用间接液冷技术。

2液冷散热的优缺点

液冷设计是电子产品功率发展到一定阶段后的热管理方案。正如自然散热和强制散热一样,液体冷却也有自己的优缺点。

优点 缺点
1.           液体工质载热能力更强,能够实现热量的定向流动

2.           通过载热介质的主动流动转移热量,发热端和散热端温差更低

3.           散热端与发热端分离,系统中不同位置的温度不均匀性相对更弱

4.           便于实现产品高防护

5.           设计灵活,分散式散热

6.           高温环境适应能力强

7.           工质的体积比热容大,可以缓冲热冲击,降低发热元件温变速率

1.           冷却成本高(相对于风冷)

2.           冷却系统的可靠性相对较低,引入了腐蚀、漏液、堵塞等风险

3.           受环境条件的限制,比如超低温环境

4.           系统复杂度更高

 

从工作原理上讲,一个完整的液冷设计系统实际上必须包含空气冷却设计部分。因此,对于液冷设计工程师而言,除了液冷系统中特有的问题,也需要同时了解散热器的加工工艺、风扇选型等空气冷却设计知识。

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