冷板類似于風(fēng)冷或者自然散熱中的散熱器，是液冷設(shè)計(jì)中相對可變的組件，其它諸如泵、快接頭、膨脹罐、脫氣罐、過濾器甚至換熱器等多數(shù)都可以通過計(jì)算幾個關(guān)鍵參數(shù)來在既有成熟產(chǎn)品系列中選型來實(shí)現(xiàn)。因此，本章重點(diǎn)闡述冷板散熱器的設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)冷板散熱器時，基本考量因素如下：
l 通過在一定體積空間內(nèi)加大固體與流體的接觸面積實(shí)現(xiàn)換熱強(qiáng)化；
l 通過導(dǎo)熱界面材料接觸發(fā)熱源；
l 存在流體與固體的接觸面；
l 發(fā)熱源熱量先傳遞到冷板，然后再傳遞到冷板中流動的液體介質(zhì)，帶出系統(tǒng)。
很顯然，冷板的設(shè)計(jì)步驟和要考量的因素與風(fēng)冷或自然散熱設(shè)備中的散熱器類似。只不過冷板面臨的流體介質(zhì)是液體，而強(qiáng)迫風(fēng)冷或自然散熱中散熱器面臨的流體介質(zhì)則為氣體。從如下的設(shè)計(jì)步驟，也可明顯看出這一點(diǎn)：
5.1 計(jì)算流量
開始設(shè)計(jì)冷板之前，需要估算系統(tǒng)散熱所需的流量，類似于風(fēng)冷散熱中，在開始系統(tǒng)風(fēng)道設(shè)計(jì)之前，需先估算風(fēng)量的需求。
與風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算公式相同，液體工質(zhì)流量的估算依據(jù)仍然是能量守恒定律：
Q = P / density / Cp / Δt
式中Cp為流體工質(zhì)的比熱容，density為流體工質(zhì)密度
舉例：工質(zhì)為水，發(fā)熱量為5KW，進(jìn)出水口溫升5℃
流量需求： Q = P / density / Cp / Δt = 5000 / 992 / 4179 / 5 = 2.41 ? 10-4 m3/s = 0.241 L/s
注：水的物性參數(shù)參考溫度為25℃。
5.2 確定冷板材質(zhì)
除去成本、可獲得性、可加工性等任何設(shè)計(jì)都需要考慮的因素之外，冷板材質(zhì)的選定還應(yīng)關(guān)注如下幾點(diǎn)：
1) 導(dǎo)熱系數(shù)
常見的冷板材質(zhì)是銅（合金）和鋁（合金），這兩種金屬的導(dǎo)熱系數(shù)都比較高。實(shí)際上，電子產(chǎn)品中充當(dāng)主要散熱功能的金屬結(jié)構(gòu)件，絕大多數(shù)材質(zhì)都是銅（合金）和鋁（合金）。
2) 與液態(tài)工質(zhì)之間的化學(xué)相容性
與泵類似，冷板也必須保證其和液態(tài)工質(zhì)之間具備化學(xué)相容性。通常，液態(tài)工質(zhì)和冷板之間的電化學(xué)反應(yīng)在所難免，為了降低腐蝕速率，可以在工質(zhì)中添加緩蝕劑。 緩蝕劑又稱為腐蝕抑制劑（anti-corrosive corrosive inhibitor），是指以適當(dāng)?shù)臐舛群托问酱嬖谟诃h(huán)境（介質(zhì)）中時，可以防止或減緩材料腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物。當(dāng)確定了系統(tǒng)中與液冷工質(zhì)直接接觸的材料后，可以根據(jù)材料屬性選擇合適的緩蝕劑。
表11-5常見冷板材質(zhì)與工質(zhì)相容性表[8]
注：此處冷板材質(zhì)是指與液冷工質(zhì)接觸的固體材質(zhì)，表中打√的表示能夠相容。
1) 密度
在要求輕量化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中，這就要使用密度更低的材料。在這種情況下，鋁成為非常廣泛的選擇。如新能源汽車動力電池包內(nèi)的冷板，通常材質(zhì)就是鋁合金。
2) 凝固點(diǎn)和沸點(diǎn)
液冷工質(zhì)需要保證在產(chǎn)品使用的環(huán)境溫度范圍內(nèi)保持液態(tài)。如果工質(zhì)凝固點(diǎn)太高，有可能導(dǎo)致外界氣溫較低時凝固，工質(zhì)無法形成循環(huán)流動，系統(tǒng)失效；如果工質(zhì)沸點(diǎn)太低，則可能會在外界溫度較高時，液體沸騰生成氣體，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
5.3 流道設(shè)計(jì)
風(fēng)冷系統(tǒng)中，一般會通過更改內(nèi)部發(fā)熱元件布局，增加或刪減結(jié)構(gòu)件來約束空氣的走向，進(jìn)而改變產(chǎn)品內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移效率。液冷系統(tǒng)中，液體的走向可以直接通過管路來嚴(yán)格約束。
類似于風(fēng)冷系統(tǒng)中的空氣，作為移熱介質(zhì)，液冷系統(tǒng)中的液體的走向也會直接影響熱量的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移效率。對冷板進(jìn)行流道設(shè)計(jì)時需要考慮如下因素：
1) 熱源分布：流體應(yīng)盡可能接近發(fā)熱源，降低擴(kuò)散熱阻；
2) 結(jié)構(gòu)避位：屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，流道需要與冷板上的固定孔保持安全距離；
圖11-17 流道應(yīng)當(dāng)避開冷板上密布的固定孔
1) 均勻布局：流體應(yīng)盡可能均勻地掠過冷板，有效利用散熱面積。通常，距離流道越遠(yuǎn)，對散熱的貢獻(xiàn)越?。?/span>
圖11-18 雪佛蘭Volt動力電池中的鋁制液冷冷板，液體均勻流過整個冷板
1) 控制流速：工質(zhì)對散熱器的沖蝕作用會隨著流速的增加而惡化，而且流動的阻力也會迅速加大。但顯然流速越大，對流換熱系數(shù)越高。流速需要結(jié)合產(chǎn)品散熱需求和可用空間，綜合給定；
2) 盡量降低流阻：設(shè)計(jì)串并聯(lián)流道，降低流動阻力，減少泄露風(fēng)險(xiǎn)；
圖11-19 多流道并聯(lián)的嵌管式冷板
1) 可加工性和成本；
2) 泄壓和告警等設(shè)計(jì)：應(yīng)在管路合理位置布置壓力傳感器和溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測。當(dāng)壓力或溫度異常時，采取必要的控制手段。
5.4 冷板類型及其優(yōu)缺點(diǎn)
液冷系統(tǒng)適應(yīng)的范圍非常廣，其應(yīng)對的產(chǎn)品類型特點(diǎn)千變?nèi)f化。不同需求下，就需要采用不同類型的冷板。根據(jù)工藝難度，常見的冷板可以分為如下幾種：鉆孔式，壓管式，浮泡式，銑槽式，擴(kuò)展表面式，微通道式等。其優(yōu)缺點(diǎn)匯總?cè)缦拢?/span>
表11-6常見冷板的優(yōu)缺點(diǎn)
6 本章小結(jié)
液冷設(shè)計(jì)具備許多與空氣冷卻不同的特征，本章敘述了不同液冷設(shè)計(jì)方案的差異，介紹了液冷方案的設(shè)計(jì)步驟和各個環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)。冷板是液冷設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵物料，它某種程度上決定了液冷工質(zhì)、泵、換熱器等的形式，變化形式繁多，故第五節(jié)較為詳細(xì)地闡述了冷板的設(shè)計(jì)方法。隨著產(chǎn)品功率密度的增加，液冷的應(yīng)用會越來越多。其設(shè)計(jì)難度及要考量的因素實(shí)際非常繁雜。工業(yè)設(shè)備中的系統(tǒng)級的液冷設(shè)計(jì)，甚至要結(jié)合建筑本身的特征。筆者水平有限，本章僅敘述了其中最為關(guān)鍵、與溫度控制連接最為緊密的部分。感興趣的讀者可以聯(lián)系作者，針對特定問題進(jìn)行討論。
參考文獻(xiàn)
[1] 3M氟化液性能參數(shù). https://www.3m.com.cn
[2] 液冷散熱系統(tǒng)概述. http://www.ecooling.net
[3] 劉靜, 周一欣. 芯片強(qiáng)化散熱研究新領(lǐng)域——低熔點(diǎn)液體金屬散熱技術(shù)的提出與發(fā)展[J]. 電子機(jī)械工程, 2006, 22(6): 9-12.
[4] 馬坤全, 劉靜. 納米流體研究的新動向[J]. 物理, 2007, 36(04): 0-0.
[5] 謝華清, 奚同庚, 王錦昌. 納米流體介質(zhì)導(dǎo)熱機(jī)理初探[D]. 2003.
[6] 石育佳, 王秀峰, 王彥青, 等. CPU 液體冷卻器件及冷卻液材料研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2012, 26(21): 56-60.
[7] Pacific W4 Plus RGB CPU 水冷頭. http://tw.thermaltake.com
[8] cold plates. www.Lytron.com
[9] 風(fēng)力發(fā)電水冷系統(tǒng). http://www.beehe.com/pro_view.asp?id=14
本篇節(jié)選自：陳繼良.從零開始學(xué)散熱.第十一章
感謝閱讀
報(bào)名培訓(xùn)，參與/贊助技術(shù)交流會，申請加入熱設(shè)計(jì)平臺顧問團(tuán)、加入QQ群、微信群等事宜，請掃碼添加熱設(shè)計(jì)網(wǎng)客服微信。
標(biāo)簽： 點(diǎn)擊： 評論: