一種新型的液冷機(jī)箱及冷板散熱系統(tǒng)的研究

1、一種新型的液冷機(jī)箱及冷板散熱系統(tǒng)的研究1 引言電子技術(shù)微型化、高集成度、大功率電子器件應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，使得電子設(shè)備要求體積越來(lái)越小， 元器件數(shù)量增加，這就使得電子設(shè)備功率密度和熱流密度大幅度提高，熱量集中，局部溫度過(guò)高，如果熱量不能及時(shí)散出，就會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備性能下降甚至失效。一般而言， 溫度每上升 10， 可靠度可能就會(huì)降低為原來(lái)的一半，而溫度從 75升高至 125，可靠度則變?yōu)樵瓉?lái)的 20%。有效的熱設(shè)計(jì)模式是對(duì)電子設(shè)備的發(fā)熱元器件及散熱系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)它們的溫升進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)正?？煽康毓ぷ?。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱會(huì)帶來(lái)多余物及增大系統(tǒng)空間，

2、而導(dǎo)冷式散熱面對(duì)功率較大系統(tǒng)時(shí)則出現(xiàn)散熱了瓶頸，而液冷散熱技術(shù)的出現(xiàn)，由于液體介質(zhì)比空氣及常規(guī)散熱鋁材有更好的換熱系數(shù)，使得液冷系統(tǒng)散熱量級(jí)甚至為傳統(tǒng)風(fēng)冷式、導(dǎo)冷式散熱的100 倍以上。2 散熱系統(tǒng)的建立及組成一般液冷系統(tǒng)的建立都是強(qiáng)制液冷、金屬傳導(dǎo)散熱的結(jié)合，而一個(gè)完整的液冷系統(tǒng)而言，其主要由液冷機(jī)箱、液冷冷板及液冷提供系統(tǒng)組成，液冷冷板直接吸收發(fā)熱模塊的功耗，通過(guò)液冷機(jī)箱循環(huán)到液冷系統(tǒng)，將熱量傳遞給液冷提供系統(tǒng)中的液泵，再經(jīng)過(guò)液泵送至換熱器，液冷換熱器與外部環(huán)境熱交換，對(duì)冷卻液制冷并返回液冷機(jī)箱完成一個(gè)循環(huán)，而單考慮散熱系統(tǒng)部分，液冷機(jī)箱及液冷冷板的設(shè)計(jì)成為了系統(tǒng)的關(guān)鍵。圖 1 所示為筆者

3、研究的液冷散熱系統(tǒng)，主要由冷板模塊1 5、液冷機(jī)箱、流體連接器、信號(hào)傳輸連接器等組成。其中冷板模塊用于對(duì)印制板電路單元機(jī)械支撐和對(duì)流換熱的作用；液冷機(jī)箱是整個(gè)散熱系統(tǒng)的架構(gòu)基礎(chǔ)，也是整個(gè)散熱系統(tǒng)中流道的樞紐；流體連接器是與液冷提供系統(tǒng)的接口，起著進(jìn)液與出液的作用，要求在一定的管道流壓下，無(wú)漏液現(xiàn)象。3 冷板模塊的設(shè)計(jì)圖 2 所示為所設(shè)計(jì)的冷板模塊組成示意圖，包括冷板、楔形條、起拔器、后蓋板、印制電路板、流體連接器。其中楔形條由三節(jié)式滑塊、螺桿及螺套組成，用于冷板模塊與機(jī)箱進(jìn)行配合時(shí)由于滑塊與機(jī)箱插槽產(chǎn)生摩擦防止冷板模塊產(chǎn)生晃動(dòng)，同時(shí)也用于將印制板散發(fā)的熱量通過(guò)滑塊傳遞給機(jī)箱；起拔器用于冷板模塊

4、與機(jī)箱插槽配合的插拔；后蓋板通過(guò)與冷板配合，將印制板夾住，通過(guò)螺釘固定，用于對(duì)印制電路板加固，也起著部分傳導(dǎo)輻射散熱的作用，也可作為屏蔽作用的屏蔽板；流體連接器用于與圖3 中的內(nèi)流體連接器進(jìn)行配合，從而將外部流體引入冷板流道循環(huán)，將印制電路板發(fā)熱元件所產(chǎn)生的熱量帶走。散熱系統(tǒng)中發(fā)熱源為冷板模塊中的印制板單元，冷板作為印制板上各熱耗單元的基礎(chǔ)，即作為電子器件的安裝基座，又作為一次換熱載體，是液冷模塊的核心，要求其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，表面?zhèn)鳠嵯到y(tǒng)高，溫度梯度小，均溫性好，能有效降低熱源溫度。在冷板設(shè)計(jì)中考慮了以下幾個(gè)因素：（ 1）冷板與發(fā)熱器件的接觸面要平整光滑；（ 2）冷板與發(fā)熱器件要有一定的結(jié)合壓緊

5、力，盡量減少接觸熱阻；（ 3）流道的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量多經(jīng)過(guò)冷板吸熱面，即與發(fā)熱元件布局進(jìn)行對(duì)應(yīng)；（ 4）流道應(yīng)盡量采用短的長(zhǎng)度尺度，流道全程流動(dòng)均勻，有良好的導(dǎo)向性，以減少壓損，流道自身應(yīng)具有盡可能大的換熱面積，以提高對(duì)流換熱系數(shù)；（ 5）流道設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工藝性， 便于焊接后的后續(xù)加工，加工流道暢通均勻，同時(shí)具有良好的氣密性。對(duì)于上述（ 1）、（ 2）條主要采取了在發(fā)熱元件與冷板接觸面采取導(dǎo)熱硅脂為導(dǎo)熱界面材料，考慮一定的裝配壓力從而降低其接觸熱阻，提高傳熱效率。對(duì)于上述（ 3）、（ 4）條，見(jiàn)圖 3 所示。由于冷板直接面對(duì)的是印制板上的發(fā)熱器件，發(fā)熱點(diǎn)較多且局部發(fā)熱量較大，在流道設(shè)計(jì)時(shí)整體依舊采用蛇

6、形流道，流道腔體內(nèi)增加翅片，形成微通道冷板。對(duì)于流道彎道處，翅片進(jìn)行了導(dǎo)流設(shè)計(jì)，對(duì)于直道處翅片成隊(duì)列式排列，相鄰隊(duì)列形成交錯(cuò)式布局，流體進(jìn)入流道時(shí)增強(qiáng)其紊流狀態(tài)，增加紊流度的同時(shí)增加了對(duì)流換熱系數(shù)，同時(shí)冷板流體連接器進(jìn)出口與蛇形流道接口處采用梯度式的流道設(shè)計(jì)，對(duì)于進(jìn)液口增加了流體紊流度，對(duì)于出液口加速流體流動(dòng)，提高散熱效率。對(duì)于上述（ 5）條，微通道翅片寬度同換熱性能密切相關(guān)，隨著通道寬度尺寸的縮小，換熱系數(shù)隨之增大，因此盡量保證翅片強(qiáng)度情況下盡量縮小其寬度尺寸，翅片寬度設(shè)計(jì)為 1mm；同時(shí)通道占空比對(duì)換熱性能也有較大的影響，在冷板體積不變的情況下，微通道冷板中槽道的高寬比越大，則換熱性能越好

7、，翅片高度設(shè)計(jì)為5.5mm，通道間距為 1.5mm通道占空比為 0.67 ，高寬比為 5.5 ，以現(xiàn)有可實(shí)現(xiàn)工藝結(jié)構(gòu)形成最優(yōu)的換熱性能。4 液冷機(jī)箱的設(shè)計(jì)圖 4 所示整個(gè)液冷機(jī)箱主要由蓋板、 左右側(cè)板、前壁板、后壁板、底座支架、后 IO 面板、內(nèi)流體連接器及外流體連接器組成。其中蓋板、左右側(cè)板均采用導(dǎo)熱條的設(shè)計(jì)模式，將機(jī)箱內(nèi)部環(huán)境部分熱量進(jìn)行傳導(dǎo)式散熱；前壁板及后壁板為機(jī)箱應(yīng)用時(shí)與子板進(jìn)行配合的機(jī)械固定板，同時(shí)也將冷板模塊傳導(dǎo)到機(jī)箱的熱量進(jìn)行對(duì)流換熱的主要部件，設(shè)計(jì)時(shí)均采用了蛇形流道的設(shè)計(jì)模式；機(jī)箱的底座支架為整個(gè)液冷機(jī)箱的關(guān)鍵，起著架構(gòu)機(jī)箱零部件的作用，同時(shí)也是將外流體連接器、前后壁板流道、

8、內(nèi)流體連接器形成一個(gè)循環(huán)流道的中轉(zhuǎn)站及分支機(jī)構(gòu)；后 IO 面板用于固定信號(hào)傳輸連接器。對(duì)機(jī)箱前后壁板的流道設(shè)計(jì)，由于流道的結(jié)構(gòu)和流道的彎曲部分對(duì)其散熱和流道的流阻、壓降有著直接的影響。流道的直道部分越長(zhǎng)， 流道的流阻就越小， 流道的壓降就越?。涣鞯赖膹澋涝蕉?，散熱性能越好，但流阻越大，壓降也就越大；流道的截面積越大，散熱性能越好，流阻越小，壓降越小。 在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)采用了 12 個(gè)彎道，流道方向的改變?cè)黾恿肆黧w流動(dòng)的擾動(dòng)，增大了冷板表面的傳熱系數(shù)，在一定程度上改善了散熱效果，同時(shí)保證了直道部分長(zhǎng)度的較大比例，減小流道阻力，降低流道壓降，同時(shí)也降低了工藝難度。同時(shí)對(duì)于液冷機(jī)箱的設(shè)計(jì)還考慮了如下幾點(diǎn)

9、要素：（ 1）對(duì)于流體連接器，不僅要保證在連接狀態(tài)下承受一定壓力并嚴(yán)格密封，而且在對(duì)接、分離時(shí)也能快速自封，避免制冷液對(duì)電路板的污染；（ 2）機(jī)箱插槽進(jìn)行了導(dǎo)向設(shè)計(jì)， 保證模塊和底板之間、模塊液冷接頭和機(jī)箱液冷接頭之間插拔的垂直度和可靠度；（ 3）液冷機(jī)箱的設(shè)計(jì)考慮了配合公差，連接器插頭及插座的對(duì)接、助拔器的有效固定、流體連接器有效對(duì)接及背板固定配合等；（ 4）液冷機(jī)箱前后壁板直流道腔正好正對(duì)到導(dǎo)槽側(cè)壁，方便冷板模塊插入后傳導(dǎo)到前后壁板導(dǎo)槽側(cè)壁后進(jìn)行對(duì)流換熱。5 流道分析圖 5 所示為冷板與液冷機(jī)箱進(jìn)行組裝時(shí)示意圖（隱藏了前壁板、右側(cè)板及蓋板） ，通過(guò)冷板模塊的流體連接器與液冷機(jī)箱的內(nèi)流體連接

10、器進(jìn)行配合，即可將整個(gè)散熱系統(tǒng)的流道進(jìn)行貫通，同時(shí)冷板模塊上的信號(hào)傳輸連接器與液冷機(jī)箱內(nèi)背板上的信號(hào)傳輸連接器進(jìn)行配合，保證信號(hào)傳輸。如圖 6 所示液冷機(jī)箱底座支架示意圖，整個(gè)散熱系統(tǒng)的流道分為兩個(gè)分支，具體如下：（ 1）液冷機(jī)箱流道： 外流體連接器 （進(jìn)） 進(jìn)液口 1 前壁板蛇形流道 3459后壁板蛇形流道 10出液口外流體連接器（出） ；（ 2）冷板與機(jī)箱配合后的流道：外流體連接器（進(jìn)）進(jìn)液口 1前壁板蛇形流道 372內(nèi)流體連接器（進(jìn)）冷板流體連接器（進(jìn)）冷板蛇形微通道冷板流體連接器（出）內(nèi)流體連接器（出） 68出液口外流體連接器（出） 。其中在 3 處出現(xiàn)兩路主流分支，一路分支通過(guò) 4

11、腔體供液給后壁板流道，另一路分支通過(guò) 7 腔體供液給 5 塊冷板。流過(guò) 5 塊冷板的流體于8 腔體匯合，流過(guò)后壁板的流體通過(guò)10 開(kāi)孔與 8 腔體內(nèi) 5 塊冷板的流體進(jìn)行匯合，最后通過(guò)出液口及外流體連接器（出）流出，整個(gè)散熱系統(tǒng)的流道分配示意圖見(jiàn)圖7 所示。6 熱仿真驗(yàn)證圖 8 所示為散熱系統(tǒng)的仿真流程圖，在仿真時(shí)首先對(duì)單塊冷板的散熱能力進(jìn)行了仿真，然后再對(duì)整個(gè)液冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真中設(shè)定流體為常物性，且為定常流動(dòng)；忽略輻射和空氣自然對(duì)流散熱。邊界條件設(shè)置如下：（ 1）流動(dòng)液體：水。（ 2）液冷槽設(shè)計(jì)： S 型流道帶翅片。（ 3）單塊冷板熱源總功率： 200W。（ 4）進(jìn)液溫度： 20。（ 5

12、）環(huán)境溫度： 25。（ 6）是否考慮重力影響： Y。（ 7）進(jìn)液口速度： 5m/s。由圖 9 可知得到最高溫度 32.1 ，完全滿足芯片工作溫度的要求，而圖 10 液冷系統(tǒng)在仿真時(shí)最高溫度稍有上升，達(dá)到了 45.1 。 后在多次仿真后總結(jié)出在相同條件下， 由于整個(gè)液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，考慮了機(jī)箱與冷板的流道結(jié)合，系統(tǒng)會(huì)有相應(yīng)的壓力損失，從而影響其換熱系數(shù)，后經(jīng)過(guò)多次的參數(shù)及結(jié)構(gòu)微調(diào)， 得到本系統(tǒng)的最佳流速為 6m/s，通過(guò)仿真最高溫度達(dá)到 37.6 ， 與冷板仿真效果相當(dāng)。 通過(guò)對(duì)液冷系統(tǒng)的仿真分析，在對(duì)流道的結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如下特點(diǎn)：（ 1）流道道寬度同換熱性能息息相關(guān)， 通道寬度越小，換

13、熱系數(shù)越大；（ 2）微通道冷板中的通道占空比對(duì)換熱性能影響較大；（ 3）若不計(jì)冷板體積的影響，微通道冷板中槽道的高寬比越大，換熱性能越好；（ 4）在不顯著增加加工難度的前提下，增大流道數(shù)目可有效提高冷板換熱系數(shù)和效率。在冷板及液冷機(jī)箱流道一定的情況下，換熱性能還需要綜合考慮流量、流體溫度、流道寬度、環(huán)境溫度等因素的影響。7 測(cè)試及試驗(yàn)驗(yàn)證在對(duì)液冷系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試及試驗(yàn)前，需要對(duì)冷板及液冷機(jī)箱進(jìn)行氣密性檢查，通過(guò)2.0MPa 的耐壓測(cè)試，證明了其設(shè)計(jì)的密封性和耐壓實(shí)用性。圖 11 所示為測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)。液冷散熱測(cè)試系統(tǒng)主要包括泵、換熱器、散熱器、儲(chǔ)液罐和管道。主要工作過(guò)程為：冷卻液經(jīng)過(guò)增壓泵升壓后，經(jīng)

14、過(guò)液體管路，按照一定的壓力和溫度進(jìn)入液冷機(jī)箱及液冷冷板，與電子設(shè)備進(jìn)行熱交換，帶走電路板熱量，冷卻液從冷板出來(lái)后溫度升高，然后進(jìn)入換熱器，與冷卻空氣進(jìn)行換熱，將熱量傳給冷卻空氣，換熱器出來(lái)后的冷卻液再進(jìn)入儲(chǔ)液罐，然后再經(jīng)過(guò)泵進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。而完整的測(cè)試系統(tǒng)不光是要考慮如何將冷卻液循環(huán)起來(lái)，還得考慮溫度環(huán)境的變化、冷卻液的溫度、散熱器的工作模式、冷板及機(jī)箱的流道壓力、循環(huán)冷卻液的流量等參數(shù)收集問(wèn)題。因此在測(cè)試系統(tǒng)中增加了傳感器的采集及信息收集功能，從而能夠有效的對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)試進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。試驗(yàn)部分，通過(guò)了高低溫工作、 高低溫貯存、 隨機(jī)振動(dòng)、濕熱、溫度沖擊、機(jī)械沖擊等試驗(yàn)，得到所研究的液冷機(jī)箱及冷板散熱系統(tǒng)的性能參數(shù)為：液冷系統(tǒng)流量 1.5L/min ，總耗散功率超過(guò) 1000W，工作環(huán)境溫度為 - 45 +85，耐壓值 2.5MPa。通過(guò)上述的測(cè)試及試驗(yàn)分析，得出了以下的規(guī)律總結(jié)：（ 1）環(huán)境溫度對(duì)液冷系統(tǒng)影響較小，在供液溫度及流量一定的情況下，外界環(huán)境的變化對(duì)內(nèi)部溫度結(jié)構(gòu)體溫度變化影響不大，但隨著印制板模塊整體功率增大時(shí)模塊對(duì)外輻射換熱增強(qiáng)，溫差會(huì)有所增高；（ 2）冷卻液入口溫度對(duì)印制板模塊器件溫度有著直接影響，器件溫度與冷卻液溫度變化基本一致；（ 3）液冷系統(tǒng)對(duì)于流量十分敏感，對(duì)流量變化響應(yīng)很快；（ 4）在環(huán)境溫度變化而流體溫度保持不變時(shí)