電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)第四講

冷板設(shè)計(jì)

ColdPlates高紅霞gaohongxia@82338952新主樓C座1006室冷板（ColdPlates）定義冷板是一種單流體的熱交換器，經(jīng)常用作電子設(shè)備的底座，它通過空氣、水或其它冷劑在通道中的強(qiáng)迫對(duì)流，帶走安裝在其上電子設(shè)備或元器件的耗散熱。飛行器中的應(yīng)用高效肋片的使用在功率密度高、體積和重量受到嚴(yán)格限制的場(chǎng)合使用有優(yōu)勢(shì)冷板（ColdPlates）特點(diǎn)一般采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料制成，只要元器件適當(dāng)放置，可使冷板表面接近等溫，能帶走較大的集中熱載荷。制冷劑通過間壁吸收電子元器件的耗散熱，由于兩者不直接接觸，故可避免制冷劑對(duì)電子元器件的污染。由于冷板采用間接冷卻方式，故可采用一些介電性能不好但是傳熱性能優(yōu)良的冷劑，如水，從而可提高冷板冷卻效率。冷板通道的當(dāng)量直徑較小，通道可布置各種高效肋片，故冷板表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。冷板（ColdPlate）的結(jié)構(gòu)類型和選用氣冷式冷板空氣為介質(zhì)冷板通道內(nèi)一般都要采用增強(qiáng)對(duì)流換熱的各種肋表面適用功率密度可達(dá)1.5W/cm2

熱量均勻分布的中、小功率器件液冷式冷板水、乙二醇等液體作為冷卻介質(zhì)適用功率密度約為5W/cm2高功率密度器件根據(jù)設(shè)備或元器件的熱流密度、熱源的分布狀況（集中、均布、非均布）、許用溫度、許用壓降及工作環(huán)境條件等因素綜合考慮。典型氣冷冷板結(jié)構(gòu)常用氣冷冷板肋片形式當(dāng)量直徑小，有利于增強(qiáng)傳熱層流邊界層破壞，換熱能力提高靠孔區(qū)的紊流提高換熱系數(shù)波形通道形成二次流動(dòng)增強(qiáng)換熱氣冷冷板肋片選擇最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性能、流量和有無相變等因素的綜合考慮氣流速度宜在1～4m/s范圍內(nèi)肋片的高度和厚度根據(jù)傳熱系數(shù)的大小確定

傳熱系數(shù)較大，用低而厚的肋片傳熱系數(shù)小，選用高而薄的肋片肋片的形狀根據(jù)流體的性能和設(shè)計(jì)使用的條件選定高溫流體和低溫流體之間溫差較大的情況，宜選用平直肋片溫差較小的情況，宜選用鋸齒肋片氣冷冷板傳熱表面的幾何特性當(dāng)量直徑肋片面積比孔度氣冷冷板傳熱表面的傳熱和阻力特性傳熱和阻力特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（Nu或j、f）充分發(fā)展的層流流動(dòng)充分發(fā)展的湍流流動(dòng)過渡區(qū)域的層流流動(dòng)正在發(fā)展的層流流動(dòng)擴(kuò)展表面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)系式強(qiáng)迫液體流動(dòng)的基本方程氣冷冷板的壓力損失冷板的壓降冷板進(jìn)口的壓力損失出口的壓力回升通道內(nèi)的壓力損失氣冷冷板傳熱計(jì)算中的基本參數(shù)和方程與外界的對(duì)流換熱量制冷劑吸收的熱量熱量平衡冷板的傳熱單元數(shù)冷板表面溫度冷板熱效率NTUmethod氣冷冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算——校核性對(duì)已有冷板裝置的散熱能力進(jìn)行核算或變工況計(jì)算冷板上的熱負(fù)載是屬于均溫分布，即冷板等溫冷板材料的導(dǎo)熱系數(shù)極高用熱管模擬冷凝器已知條件：冷板結(jié)構(gòu)、散熱量，以及制冷劑入口參數(shù)定性溫度——平均膜溫傳熱參數(shù)計(jì)算壓降計(jì)算冷板表面溫度和壓降校核（改變制冷劑流量）冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算——設(shè)計(jì)性根據(jù)給定的工作條件及耗散熱量，確定冷板所需的傳熱面積，進(jìn)而決定冷板的結(jié)構(gòu)尺寸

試湊和迭代的方法

冷板上的熱負(fù)載是屬于均溫分布預(yù)設(shè)冷板結(jié)構(gòu)同校核性計(jì)算過程有些結(jié)構(gòu)尺寸是互相關(guān)聯(lián)的Atrial-and-errormethod

Ratingmethod冷板的非均溫性對(duì)于薄面板的冷板，冷板表面溫度往往不一致實(shí)際的對(duì)數(shù)平均溫差降低導(dǎo)致需要較大一些的NTU才能實(shí)現(xiàn)同樣的冷板表面溫度需用換熱器的計(jì)算方式液冷冷板液冷冷板LiquidinflowLiquidoutflowPowerDevices(attachedonbothsides)Icepakcoldplatemodel液冷冷板LiquidinflowLiquidoutflowTubesIcepakcoldplatemodel液冷冷板液冷冷板系統(tǒng)銅、鋁和不銹鋼板材圓、方形通道液體冷卻系統(tǒng)用泵系統(tǒng)總壓力損失摩擦壓降，它由液體的速度和管內(nèi)的表面粗糙度決定高度差壓降由彎頭、三通和過渡段等附件引起的壓降利用各種附件（如彎頭、三通等）的等效管長齒輪泵往復(fù)式泵離心泵安全裝置

液體制冷劑去離子蒸餾水未經(jīng)處理的水不能用于鋁制冷板未經(jīng)處理的水可用于銅制和不銹鋼制冷板乙二醇水溶液（使用溫度范圍擴(kuò)大）硅油含氟化合物介電制冷劑（PAO－PolyAlphaOlefin）例題：水冷冷板性能計(jì)算晶體管16個(gè)每個(gè)發(fā)熱量37.5W總功耗600W冷卻水流量62.8g/s進(jìn)口溫度35℃安裝表面最高溫度71℃螺栓安裝接觸面上使用硅脂，接觸熱阻0.3K/W校核晶體管表面溫度計(jì)算系統(tǒng)壓降LFTLiquidFlowThroughDevinW.Hersey.ThinLiquidFlow-ThroughCorewithMachinedFlowChannels.20thIEEESEMI-THERM,p213-22060×64×7.8mm3水力直徑分別為3，1.5，1mmMing-ChangLu,etal.NumericalStudyofFlowMal-distributionontheFlowandHeatTransferforMulti-channelCold-Plates.20thIEEESEMI-THERMSymposium,p205-212HybridCoolingClosedLoopLiquidCoolingAclosedloopliquidcoolingsolution.Themoduleatthelowerlefte