一種組件冷板散熱設計

航天南湖電子信息技術股份有限公司 袁 毛 陳偉亞

引言

冷板既是電子元器件的安裝板，又是電子元器件的熱交換器。冷板利用傳導散熱的方式，將電子元器件的熱量通過冷板傳給冷卻液，冷卻液流經換熱器將熱量帶走。本文根據指標要求從冷板設計思路、布局、熱設計三方面對冷板設計進行了介紹，并給出了仿真結果驗證了設計的可行性。

1.主要技術指標要求

冷板主要技術指標為：散熱能力：660W；冷卻液：65#防凍液（GJB6100-2007）；冷板最大耐壓：1.5MPa；保壓時間5min；輸入口與輸出口采用自封接頭，TSC-5T/Z液冷連接器；環境溫度50℃，進水溫度不高于60℃，電子元器件溫度≤90℃；冷板材料使用 GB/T3180-2008 鋁板6063（T6）。

2.設計思路

液冷冷板的設計主要是確定流道的尺寸。流道尺寸的確定因素主要包括：冷板上總的熱負載、單個器件的熱耗密度、系統提供的冷卻液流量、要求的器件表面溫度和冷卻液入口溫度等。

主要思路：根據熱耗密度和溫度等要求先確定所要求的換熱系數，根據換熱系數和系統提供的流量即可確定流道內的流速和基本的流道截面尺寸。設計中充分利用冷卻的強化效應，如采用傳統蛇形流道冷板提高流道內的流速使冷卻液達到湍流狀況、使流道方向改變而增加流體的擾動、采用入口段效應等。

圖1 冷板器件布局

圖2 流道分布示意圖

3.布局

根據冷板最大換熱能力、器件布局、器件發熱功率等綜合考慮流道結構和換熱面積的設計，冷板布局圖如圖1所示，流道分布示意圖如圖2所示。冷板流道截面為14mm×7mm，焊接方法采用攪拌摩擦焊。

4.熱設計

a）進水溫度30℃時，冷板平均壁溫計算。

公式（1）為溫差計算公式：

式中，Δt為溫差，P為功耗，Cp為流體比熱容，ρ為流體密度，q為流量。

設功耗660W，流量6L/min，根據公式（1）有：Δt=1.82℃。

可得：出液溫度：31.82℃，平均溫度：30.91℃。

根據管內換熱公式（2）：

當量流道截面積f：14mm×7mm，管道通道長度L：2565mm，濕潤面積F：0.10773m2，定性溫度T：30.91℃，流體密度，流體運動粘度ν：4.6×10-6m2/s，導熱系數λ：0.343W/m.℃=0.2953kal/m.h.℃，普朗特數Pr=48，直徑de=(4×14×7)/(2×(14+7))mm=9.3mm，流速w：1.02m/s，雷諾數Re=w*de/v=2062,計算可得Nuf=13.22。

b）進水溫度60℃時，冷板平均壁溫計算

根據公式（1）有：Δt=1.73℃。

可得：出液溫度：61.73℃，平均溫度：60.87℃。

當量流道截面積f：14mm×7mm，管道通道長度L：2565mm，濕潤面積F：0.10773m2，定性溫度T：60.87℃，流體密度，流體運動粘度ν：2.0×10-6m2/s，導熱系數λ：0.359W/m.℃=0.3095kal/m.h.℃，普朗特數Pr=19.8，直徑de=(4×14×7)/(2×(14+7))mm=9.3mm，流速w：1.02m/s，雷諾數Re=w*de/v=4743。

根據管內換熱公式（2）有：

5.結論

采用有限元軟件CFX對冷板的換熱能力進行分析，分析結果如下：

當進水溫度30℃，流量6L/min，出水口壓力0.1MPa，功耗660W時，仿真分析結果為最高水溫度32.2℃，冷板最高溫度42.3℃，進水口壓力0.1084MPa。當進水溫度60℃，流量6L/min，出水口壓力0.1MPa，功耗660W時，仿真分析結果為最高水溫度61.9℃，冷板最高溫度70.2℃，進水口壓力0.1076MPa。仿真計算結果表明此流道可以滿足電子元器件在進水30℃時處于一個較佳的工作狀態和在進水60℃溫度下最高溫度不大于85℃的要求。

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