一種電子設備的集成液冷散熱設計

林蘭修 張騰洋 張偉濤

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332007）

電子設備的散熱問題一直是設計中的重點和難點。功率器件是多數電子設備中的關鍵器件，其工作狀態的好壞會直接影響整機可靠性。尤其是大功率器件發熱量大，熱量密度高，需要選擇合理的散熱和冷卻方法，設計有效的散熱系統，把電子元器件的溫度控制在規定的數值下，在熱源至外部環境之間提供一條低熱阻通道，以確保熱量能夠順利地散發出去。

設備小型化設計是現代電子設備發展的趨勢，小型化后設備的熱流密度也越來越大，散熱問題更突出。電子設備的散熱方式多種多樣，其中小型設備以風冷散熱為主。風冷散熱難以滿足大功率設備的要求。液冷散熱多采用外掛式設計，即液冷源與設備分開。該文的設計將液冷和風冷進行了結合，集中統一到單機設備中，在有限的空間中利用合理的布局解決散熱問題。

1 問題描述

某電子設備要求19 英寸標準上架機箱，高度3U，深度不大于500mm，工作溫度為-40℃～+55℃。經過初步估算，整機耗散功率約1300W，其中1000W 熱源集中在4 個功放管上，管殼最高工作溫度不超過95℃。還有2 個電源模塊熱量較大，分別為80W 和120W，工作溫度不超過85℃，其余耗散功率分散到各個單元中。

2 設計思路

2.1 散熱方法的選擇

設備中的功放管散熱截面為10.3mm×41.3mm，局部最大熱流密度達58.8W/cm2，整機熱流密度為0.2W/cm2。從整機熱流密度看，可采用強迫風冷散熱，但局部熱流密度過大，如果無法快速導出熱量，將導致熱源溫度過高，進而損壞器件。因此需要效率更高的散熱措施，即液冷散熱是比較理想的選擇[1]。

液冷技術是將液體作為冷卻介質與熱源進行換熱，從而冷卻熱源的散熱方式。由于液體的導熱系數及比熱均比空氣大得多（如20℃的水導熱系數為0.58W/m·K，比熱容為4.1813kJ/kg·℃，同等溫度下空氣的導熱系數為0.024W/m·K，比熱容為1.005kJ/kg·K），散熱能力是空氣無法比擬的。在局部熱流密度大的場合（大功率發射機的發射管）常采用該方法。其缺點是系統比較復雜，體積和質量較大，設備費用較高，維修也較困難。

2.2 散熱系統的組成

完整的液冷散熱系統由冷板、水泵、水箱、換熱器、壓力調節、流量控制、電路控制以及液冷管路等組成。其中水泵、冷板、換熱器和水箱是液冷系統必不可少的組成部分。該設備受尺寸限制，采用的是最簡化的液冷系統，舍棄了復雜的液冷管路、壓力調節和流量控制等裝置，僅保留最基本的冷板、水泵、水箱以及換熱器，采用盡可能短的管路設計，將液冷系統集成到設備內部。液冷系統組成及原理如圖1所示。

圖1 液冷系統組成及工作原理圖

圖1 中水泵為液冷散熱系統的動力之源，為液體流動提供動力。冷板是熱源與冷卻液之間的連接部件，冷板表面安裝了熱源，內部有密封管道，可流通液體，并通過冷板把熱源的熱量傳遞給冷卻液。換熱器是液冷系統熱交換終端，通過換熱器將熱量散發到外界。水箱提供冷卻液存貯、泄壓和換液等輔助功能。

冷卻液流向：水箱→水泵→冷板→換熱器→水箱。

熱量流向：熱源→冷板→冷卻液→換熱器→空氣→風機→排出設備。

2.3 結構布局

合理的結構布局和風道設計能有效地均衡內部溫度。該設備電路部分有功放、濾波、電源、數據處理、天調接口以及液冷控制等模塊。其中主要熱源在功放和電源模塊，其余數據處理、天調接口和濾波等模塊均為小功率模塊。為最大程度保證風道暢通并滿足各模塊安裝需求，將冷板放大，做成大平板結構，在冷板內部加工出管道并充滿冷卻液體，其余各內部模塊安裝在冷板上、下兩面。這樣做可最大限度地利用液冷散熱的優勢，便于合理排布熱源位置且不影響風道。4 個功放管作為主要熱源分布在冷板上方，電源模塊安裝在冷板下方，位置不重疊，便于電路排版布局。

換熱器和水箱同時安裝在后面板上，通過很短的管路連接在一起。風機安裝在與后面板換熱器相對的位置，采用抽風方式工作。水泵直接安裝在水箱上，省去了復雜的管道連接。通過這樣緊湊的設計，將液冷散熱系統的各組成部分分散安裝到設備內部，與設備各功能模塊緊密結合在一起，達到設備小型化和高效散熱的目的。詳細布局如圖2、圖3所示。圖2 表示冷板上方各模塊的安裝布局，圖3 表示冷板下方各模塊的安裝布局。

圖2 設備俯視圖

圖3 設備底視圖

2.4 冷板結構設計

冷板是液冷散熱系統的關鍵部件。冷板的設計將直接影響液冷系統散熱效果。需要考慮如下方面的因素[1]：1）選擇導熱系數高的材料制造。2）盡量減少熱源與冷板之間的熱阻。3）盡量縮短熱源與冷卻液之間的傳導路徑。4）規劃合理的流道設計，兼顧各模塊的熱源位置，做到合理分布。5）流道內部設計兼顧散熱面積和流速。

鋁是理想的導熱材料，具有質量輕、導熱系數高、易加工和強度適中的特點，廣泛應用于電子設備的各類零部件中。冷板采用鋁材制造，冷板中間采用銑加工的方式直接加工出流道，再加工出與流道吻合的蓋板，運用攪拌摩擦焊的先進工藝將蓋板與冷板主體焊接在一起，形成密封通道。這樣加工出來的冷板流道設計靈活，冷卻液與冷板直接接觸，與熱源的傳導路徑短，能夠在最大程度上發揮液冷散熱的優勢。如圖4所示。

圖4 冷板結構示意圖

圖4 中的進出液口并列排布，與水箱和水泵的接口對接。內部采用蛇形流道，流道腔體內增加翅片，形成微通道。由于冷板直接面對的是印制板上的發熱器件，有功放管，也有電源模塊，發熱點較多且局部發熱量較大，進行流道設計時整體采用蛇形流道。在流道彎道處，對翅片進行了導流設計，在直道處翅片成隊列式排列，流體進入流道時成紊流狀態，增加了冷卻液的接觸面積，同時也增大了對流換熱系數，提高散熱效率。

2.5 管路連接

在液冷系統設計中，管路連接往往占用空間較大且影響美觀。設計時應盡量減少管道數量和長度。該文將水箱作為液體的中轉連通、存儲和緩沖的部件，將水泵、冷板和換熱器連接在一起，形成一個整體。在水箱內部加工出液體的流通管道和存儲空間，使液體在各零部件之間能夠流通。采用對插式流體連接器連接冷板和水箱。與管道相比，流體連接器具有占用空間小、斷開可自動密封、便于維修和可靠性高等優點。換熱器與水箱通過很短的軟管直連，可調整裝配時各零部件之間的間隙和誤差，降低使用要求和制造成本。

2.6 風道設計

風道是冷卻空氣流通的通道，應盡量減少風道風阻，以減少氣流的壓力損失，保證通道通暢。同時應盡量增大穿過換熱器的空氣流量和流速，以提高散熱效果。整機采用前、后通風結構，將換熱器安裝在后面板上。冷風從設備前面板進入，經過各模塊和換熱器，由后面板風機輸出，兼顧分散熱源和換熱器散熱，形成完整的散熱通道。本機采用前、后通風方式，氣流進入設備后，從冷板上、下兩側快速流過各單元模塊，通過換熱器并經風機排出。風道如圖5所示。

圖5 風道示意圖

風量的計算如公式（1）所示[2]。

式中：ρ為空氣的密度，取1.06kg/m3；Cp為空氣的比熱，取1005J/（kg·℃）；Δt為空氣的出口與進口溫差，取典型值10℃計算；Φ為設備總功耗，取1300W，計算得Qf=0.122m3/s。

根據計算結果，選用3 個120mm×120mm×38mm 的軸流風機，轉速5500r/min，最大風量為6.05m3/min，計算可得最大總風量為0.3025m3/s。考慮壓力損失較大，工作點風量在最大風量的50% 左右，所選風機仍能滿足要求。

3 仿真分析

利用熱分析軟件進行熱設計，可減少設計反復，縮短研制周期，并降低成本。Icepak 是目前較流行的專業電子設備熱分析及仿真軟件，能夠解決系統級、部件級以及封裝級的熱分析問題，在通信、汽車電子設備和電源設備等領域具有廣泛應用。

在進行仿真分析前，需要對模型進行簡化。其中冷板的流道設計和液體的流速、流量及壓力對散熱效果影響最大。該設備主要對冷板進行仿真設計。結果如圖6、圖7所示。

圖6 環境溫度55℃時熱源溫升情況

圖7 環境溫度55℃時冷板液體流動情況

通過Icepak 的分析可知，液冷系統為環境55℃時，只需提供15L/min 的流量，熱源的最高溫度約80.7℃，完全滿足器件溫升要求。

4 試驗驗證

上述電子設備已生產樣機，運行后經過檢測，熱源溫升為25℃，與仿真結果相近。經過高溫55℃和低溫-40℃環境例行試驗，設備運行穩定，充分說明集成液冷散熱系統的可行性。

5 結語

該文通過結合實際項目對電子設備液冷系統進行整體布局、冷板結構設計、風道分析和仿真熱分析，逐步說明了集成液冷散熱系統的組成和特點，闡述了集成化設計思路的應用方式，同時通過仿真和樣機試驗充分說明了采用液冷式散熱系統的優勢。