某液冷組件流道變形原因分析

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(1. 中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031；2.永昇空調有限公司，江蘇 泰興 225400)

0 引言

液冷系統一般由泵、儲液箱、換熱器、過濾器、冷卻介質、液冷組件、管路閥門及附件、控制和保護裝置等組成[1-2]，部分對水質要求較高的系統還配備水處理裝置，用于水質的凈化。

典型的液冷組件一般是功率器件、冷卻水套或冷板等的組合體，本文涉及的液冷組件就是屬于這一類型[3]。其中，冷卻水套或冷板為換熱器，用于進行熱交換，將功率器件的熱耗傳輸到冷卻液中。為確保液冷系統的環境適應性，冷卻介質一般使用主要成份為乙二醇的冷卻液。

1 問題描述

所述液冷組件由上、下兩個相同的異形冷板組合而成。流道位于其中，兩端為匯流槽，匯流槽處配有相應的進、出口及轉接接頭等，用于與外部液冷系統的連接。

該液冷組件所屬的液冷系統由5個支路構成，系統的最大供液壓力為0.8 MPa，所述的液冷組件位于其中一個支路上，設計供液壓力約0.5 MPa，流量>8 L/min，該支路的組成如圖1所示。冷卻液為65#乙二醇防凍液。

圖1 液冷系統支路流程

在系統的聯調過程中，該液冷組件的性能嚴重惡化并迅速失效。通過對失效液冷組件的拆解發現，冷板的流道變形明顯，外部變形情況如圖2所示。

圖2 流道外部膨脹變形實物

內部變形情況如圖3所示，所裝器件也因為冷板流道的變形產生損環。

圖3 流道內部膨脹變形實物

從圖2、圖3中可以看出，冷板流道膨脹變形最大處在流道的進出水口的匯流槽處。

2 故障分析

根據組件的故障部位，從設計、制造和使用等多個方面進行故障的排查工作。從組件流道變形膨脹的表象來看，初步分析認為是該支路內部冷卻液壓力過高，超出組件材料的承受極限造成的，后續分析也將圍繞這一因素展開。

從設計方面來看，主要的可能因素有：液冷組件設計強度不足、設計缺陷、液冷壓力超標等因素。通過對液冷系統的設計及運行參數記錄的分析，聯調時水冷系統所有參數都在設計范圍之內，所以排除液冷系統的設計問題，因此，在設計因素方面，只需要針對液冷系統的運行參數，對組件進行力學分析及實驗即可。

從使用方面來看，主要因素有：未按操作規程使用液冷系統、冷卻液變質等因素。通過對系統調試記錄的查閱，均未發現違規操作現象，只發現在聯調過程中，存在不同廠家及牌號冷卻液混用的情況，所以，在使用方面將重點分析冷卻液的情況，如冷卻液自身是否發生了膨脹，如發生了凍結等。

從制造方面看，有材料缺陷、加工超差、工藝流程等，因該組件為合格品，故制造因素為暫時作為備選項處理。

3 設計因素分析

3.1 力學分析輸入條件

3.1.1 工作壓力

從流程圖1上分析，該液冷組件所在支路設計工作壓力0.5 MPa，在以下幾種狀況下，工作壓力會增加直至系統的最大工作壓力0.8 MPa。

①供液側主截止閥開度過大，導致整個系統工作壓力偏高。

②該液冷組件供液側支路截止閥開度過大，引起該支路的流量和壓力過大，此時，該液冷組件的供液壓力與系統的供液壓力相近。

③該液冷組件支路回液側的閥門沒有完全打開，引起所在支路壓力過大。

④回液側主截止閥沒有完全打開，引起所有支路壓力過大。如回液側主截止閥關閉，則所有支路壓力達到最大值。

從上述分析來看，該液冷組件實際情況的承受的壓力值應該在0.5～0.8 MPa之間，力學分析以這個作為輸入進行。模擬工況按工況一(供液壓力為0.5 MPa)和工況二(供液壓力為0.8 MPa)，即液冷系統正常工作時的壓力和最大壓力。

3.1.2 材料屬性

經查該液冷組件的冷板圖紙可知，該冷板的加工主體材料為是T2，材料的狀態為硬態。查相關材料手冊[4-6]，銅T2材料的部分力學性能如表1所示。

表1 銅T2(Y)的材料屬性表 MPa

3.1.3 模型簡化

由于該液冷組件結構上下對稱，所以在針對該液冷組件內部結構沖壓有限元分析時，只取上半部進行分析處理，分析在供液壓力可能的范圍內組件的內應力和結構變形。

3.2 力學分析

3.2.1 工況一的力學分析結果

通過三維建模及有限元分析，在工況一的情況下，經過多輪逼近模擬運算，該液冷組件局部應力云圖如圖4所示。

圖4 工況一液冷組件應力云圖

應力最大值為75.86 MPa，位于水道兩端匯流槽處。

3.2.2 工況二的力學分析結果

在工況二的情況下，該液冷組件局部應力云圖如圖5所示。

圖5 工況二液冷組件應力云圖

應力最大值為121.4 MPa，同樣位于水道兩端匯流槽處。

3.3 力學分析結論

比較力學分析的結果和表1中的數據，工況為0.5 MPa和0.8 MPa時，應力均未超出表1中所示材料的屈服強度，組件不應該出現流道永久性變形的情況，因此，設計導致流道變形的因素被基本排除。

4 使用因素分析

該液冷系統在聯調過程中，主要使用了兩種冷卻液，分別為20#和65#，分別為兩個廠家提供。為提高冷卻液的抑菌、緩蝕效果，冷卻液中都含有不同成份的添加劑[7]。因調試時間跨過冬季，且冷卻液在使用過程中存在混裝，冷卻液是否凍結成為了重點的排查因素。為確保試驗數據的可靠性，分別提取了液冷系統中的殘存冷卻液和現場兩個廠家的存貨，并根據實際使用的可能情況按表2進行了樣品的準備。

表2 冷卻液樣品表

試驗流程及結果是，高低溫試驗箱降溫到零下20 ℃，保溫10 min后，1#樣品出現結凍現象，高低溫試驗箱降溫到零下40 ℃，保溫10 min后，7#樣品出現結凍現象，后續高低溫試驗箱繼續降溫，直至零下45 ℃，并進行了30 min的保溫，其余樣品都沒有出現結凍現象。圖6所示的為試驗的最終狀態。通過對凍結的1#和7#樣品的表面進行觀察，發現有不明顯的凸起，顯示在凍結過程中，冷卻液有輕微的膨脹現象。

圖6 冷凍試驗圖

從試驗結果看，不同廠家和牌號冷卻液的混合沒有降低冷卻液的性能，也沒有導致冷卻液的變質惡化。鑒于聯調現場的溫度沒有低于零下20 ℃，因此，在系統的聯調過程中，冷卻液不可能凍結，故冷卻液凍結導致流道膨脹的因素被完全排除。

乙二醇冷卻液熱膨脹率大[8]， 熱膨脹也是一個可能因素，該液冷系統中設有排氣及體積膨脹緩沖裝置，故該因素也被排除。

5 制造因素分析

經過上述分析可知，供液壓力和冷卻液凍結均不是導致該液冷組件冷板流道的變形的直接原因，因此，制造因素從備選項成為重點排查項，如本批次制造液冷組件的材料是否有缺陷，或是其它因素導致了材料的性能降低等。

為此，對該液冷組件冷板的結構、工藝和材料進行了查詢和分析，從源頭上，即圖紙和制作工藝上進行進逐步的排查。

在查詢到該液冷組件冷板的制作工藝時，發現該冷板為拼接件，存在焊接工序，該工序的基本要求為：采用銀焊焊接，整體焊接完成后，再作去應力處理。因為該液冷組件尺寸較大，所以液冷組件的預熱在爐中完成。

根據這個工藝流程，對照相關的典型工藝可知，焊接用到的兩種銀釬料的熔點分別為779 ℃和595～605 ℃，預熱溫度按典型工藝的要求一般高于釬料30～50 ℃，預熱完成后，再進行焊接操作。因為銅T2材料的退火溫度一般為380～650 ℃[6-9]，所以冷板的主體材料在焊接加工的過程中，也完成了材料退火操作，力學性能有較大的下降。

銅T2材料在退火狀態下的主要力學性能如表3所示[4-6]。

表3 銅T2(M)的材料屬性表 MPa

根據圖5、圖6的有限元的數值分析并參照表3中退火狀態下銅T2的屈服強度：在0.5 MPa工況時，該冷板的局部應力己超過銅T2屈服強度的最大值，在0.8 MPa工況時，己達到銅T2屈服強度最大值的近兩倍，因此，該液冷組件冷板的流道在實際情況下，存在膨脹變形的必然性[10]。

6 故障定位

綜上所述，這是一起因供液壓力超過材料的耐受極限而引起的故障。究其原因，在設計最初，材料是符合使用要求的，但后期的制造導致材料力學能大幅度下降，而在這一過程中，設計與制造之間未進行有效的溝通。

7 實驗驗證

為確認上述結論，需通過實驗進行故障復現。為節省成本，該實驗在專用液冷源實驗臺上利用了己損壞的液冷組件進行，并采用杠桿百分表進行變形膨脹的觀察。

模擬導致壓力超高的工況，逐步提升系統供液壓力，進行液冷組件流道變形與壓力的關系評測。當供液壓力達到0.7 MPa時，杠桿百分表指針出現輕微擺動，當供液壓力達到1.0 MPa時，杠桿百分表指針出現大幅度擺動，同時內部貼裝的功率器件發生破碎和掉落現象。因試驗是在流道己膨脹的液冷組件上進行的，按金屬冷作硬化的規律，此時材料的強度比初始狀態有所提升[11]，故供液壓力和形變的工況均高于力學分析的結果。

8 改進措施

8.1 應急措施

應急措施的目的是確保在現有的條件下，該液冷組件流道不變形和系統聯調的正常進行。這個應急措施的指導思想是限壓，即在該液冷組件支路增加限壓裝置或是限壓閥，確保該支路的供液壓力不超過0.5 MPa。

首先對組件流道的特性曲線，也就是供液壓力與流量的關系進行了測量。測試記錄如表4所示。

同時，在系統調試結果后，暫時固化回液測截止閥，使之無法調整，防止誤操作產生，如在回液側截止閥全關的情況下開機。

表4 測試記錄

可得該液冷組件流道的特性曲線如圖7所示。

圖7 液冷組件的流道特性曲線

在這一特性曲線的基礎上，在支路上增加了限壓裝置，如圖8所示。

圖8 測壓限壓裝置

8.2 長期改進措施

長期改進重點在提升液冷組件的結構強度，使之符合現有液冷系統的要求。具體措施包括兩個方面，第一個方面是對該液冷組件的流道進行結構強化，如流道的網格化處理、增加蓋板厚度、在局部弱點增加加強筋等，可以有效地降低結構件的內應力，如圖9所示，網格化和局部加強筋使0.8 MPa的工況下結構件的應力最大值降到70 MPa以下。長期改進措施的另一方面是在不影響組件電性能、傳熱性能的基礎上，更換強度更好的材料，如H96銅，其退火態的屈服強度可達到120 MPa左右。

圖9 改進后工況二應力云圖

這兩個措施綜合使用，將完全杜絕流道變形的可能。

9 結束語

液冷相關的組件，在實際應用前，應測試流道相應的特性曲線，給出最佳的工作點等參數，同時進行液冷相關極限值的測量和試驗，如壓力、流量等，作為冷卻系統的設計依據。

結構件的實際力學性能，在參照材料本身的前提下，還應綜合考慮工藝、工作環境等因素。

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