電子設(shè)備液體冷卻設(shè)計(jì)

【摘 要】 本文通過設(shè)計(jì)計(jì)算，為液體冷卻組成設(shè)備換熱器、水泵、風(fēng)機(jī)和循環(huán)管路的選擇提供理論依據(jù)，為冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，為熱設(shè)計(jì)工程實(shí)施打下理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】 液體冷卻 耗散功率 冷卻液 溫度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.04.007

1 前言

電子器件在工作時(shí)都有一定的效率，例如某器件效率為50%，如果輸入功率為30W，那么輸出功率只有15W，也就是說有15W轉(zhuǎn)化為熱量被損耗了。器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱傳遞到器件表面，最終傳遞到周圍環(huán)境中去。如果不能將熱量有效地導(dǎo)出，器件就會因過熱而損壞。因此，電子器件冷卻方式的選擇非常重要。

隨著電子器件的功率和頻率的提高，其發(fā)熱密度也就會相應(yīng)提高。采用常規(guī)的自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷無法將器件產(chǎn)生的熱量帶走，采用液體代替空氣冷卻，冷卻效果得到明顯提高。液體冷卻中傳導(dǎo)、對流和輻射三種基本傳熱方式的相對重要性發(fā)生了變化，輻射效應(yīng)一般忽略不計(jì)，傳導(dǎo)通過器件金屬部分進(jìn)行，也可以通過液體進(jìn)行，液冷中的換熱大量的還是通過對流來完成。

2 液冷系統(tǒng)基本原理和組成

液體冷卻一般分為兩部分：一次換熱采用強(qiáng)迫液冷，二次冷卻采用強(qiáng)迫風(fēng)冷。利用水泵將冷卻液從水箱排入換熱器中，通過風(fēng)機(jī)對換熱器中冷卻液進(jìn)行冷卻，再利用系統(tǒng)壓力將冷卻后的冷卻液送到發(fā)熱體（冷板）中進(jìn)行冷卻。

冷卻系統(tǒng)一般主要包括：水泵、水箱、流量分配合成器、冷板、風(fēng)冷換熱器（或壓縮機(jī)）、循環(huán)管路、溫度和壓力流量傳感器等，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 液冷結(jié)構(gòu)簡圖

式中：T—溫度監(jiān)控；X—水泵；S—流量監(jiān)控；P—壓力監(jiān)控；O—雙向自封快換接頭。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 耗散功率計(jì)算

進(jìn)行熱設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)首先要確定需要散熱設(shè)備的耗散功率：

[P][=P0η（1-η）?（占空比）]

其中：[P]——設(shè)備的耗散功率；[P0]——設(shè)備的峰值功率；[η]——設(shè)備的效率。

3.2 冷卻液流量的計(jì)算

[Qv][=860?PCp?γ?Δt]

式中：[Qv]——冷卻液的流量；[P]——設(shè)備的耗散功率；[Cp]——冷卻液比熱；[γ]——冷卻液的重度；[Δt]——冷卻液的溫升。

一般內(nèi)循環(huán)冷卻液的進(jìn)出口溫度差[Δt]=（5～7）℃。

3.3 循環(huán)管路大小的計(jì)算

確定冷卻液的流量后，通過選擇合理的流速計(jì)算循環(huán)管路尺寸。采用冷板的設(shè)計(jì)時(shí)一般流速取值為（0.4～1）m/S。

[d][=18.8Qv/U]

式中：[d]——管路直徑；[Qv]——冷卻液的流量；[U]——冷卻液流速。

3.4 循環(huán)水泵的選擇

冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力一般選擇3～3.5大氣壓，處于這種壓力條件下延緩了冷卻液沸騰的產(chǎn)生。水泵的揚(yáng)程除了整個(gè)管路中沿程壓力損失，局部壓力損失外還和吸入、排出管路的幾何位置高度有關(guān)。通常水泵的揚(yáng)程為冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓力的1.15～1.2倍，水泵的流量為冷卻系統(tǒng)計(jì)算流量的1.1～1.15倍。

3.5 風(fēng)冷換熱器的計(jì)算

一般情況下通過計(jì)算散熱器的散熱面積來選擇合適的換熱器：

[A][=Qk?Δtm]

式中：[A]——散熱面積；[Q]——換熱量（耗散功率+冷卻系統(tǒng)功耗）；[k]——傳熱系數(shù)；[Δtm]——平均發(fā)熱溫度。

[Δtm][=（T1-t2）-（T2-t1）lnT1-t2T2-t1]

式中：[T1]—回水溫度；[T2]—出水溫度；[t1]—環(huán)境溫度；[t2]—出風(fēng)口溫度。

3.6 冷卻風(fēng)機(jī)的選擇

風(fēng)機(jī)的選擇非常重要，直接影響二次換熱的效果。通過計(jì)算滿足散熱需求的空氣體積流量來選擇風(fēng)機(jī)。

[Qv][=0.86?QCp?（t2-t1）]

式中：[Qv]—空氣的體積流量；[Q]—換熱量；[Cp]—空氣的比熱；[t1]—環(huán)境溫度；[t2]—出風(fēng)口溫度。

實(shí)際選擇風(fēng)機(jī)時(shí)空氣體積流量在計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加10%～15%的余量。

3.7 冷板的設(shè)計(jì)

冷板是在金屬板內(nèi)加工出封閉的流道，通過冷卻液的流動帶走發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量。冷板的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮器件的安裝布局，又要考慮流道的排布走向。一般選用鋁合金作為冷板的材料，因?yàn)檫@種材料易于加工、耐腐蝕、重量輕、導(dǎo)熱性能比較好。冷板的常見結(jié)構(gòu)是在厚鋁合金板上加工成矮腔的殼體，在殼體內(nèi)腔底面固定線路板和元器件，在殼體背面加工流道。流道的加工是先在殼體背面加工溝槽，再用與溝槽相同形狀的蓋板采用鋁釬焊或者摩擦壓力焊與殼體焊在一起封閉出密閉流道，冷板結(jié)構(gòu)如圖2、3所示。

圖2 冷板流道截面

圖3 冷板流道排布

液冷系統(tǒng)管路除了水泵、水箱、流量分配合成器、冷板、風(fēng)冷換熱器、循環(huán)管路、溫度和壓力流量傳感器外還要用閘閥調(diào)節(jié)流量，截止閥通斷管路，止回閥防止管路中冷卻液倒流，小型旋塞放管路中殘存的空氣等。

4 結(jié)束語

通過以上的計(jì)算可以得出液體冷卻系統(tǒng)組成設(shè)備的基本參數(shù)。冷板、流量分配、流道截面大小、冷卻液的流速和溫差的選擇都對冷卻效果有很大的影響。因此，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性，可用熱設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬仿真。

作者簡介

施海濤，目前在遼寧遼無一電子有限公司技術(shù)中心從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，工作內(nèi)容主要包括：電子設(shè)備方艙、機(jī)柜、分機(jī)、插件、發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)和冷卻設(shè)計(jì)等。

（責(zé)任編輯：張曉明）