電子設備液冷冷板設計技術要求解析

　　焦 密, 吳舸

　　(中航工業新航航空(工業)集團，中國新鄉，453000)

　　(新鄉市職業教育中心，中國新鄉，453000)

　　摘要：

　　冷板是電子設備液冷冷卻系統中常用的終端設備，是控制電子元器件的溫度在工作環境條件下不超過最高允許溫度的關鍵設備之一。本文分析和介紹了電子設備液冷冷板設計與選型時，對冷板應提出何種技術要求及具體技術指標。通過解析對冷板的性能要求、環境要求及界面要求的內容進行了全面闡述。這些設計技術要求及技術指標系統地提出，對冷板正常工作，保證電子設備效能的發揮具有重要意義。

　　關鍵詞：液冷、冷板、電子設備、技術要求

　　Design Requirements of Liquid Cooling Cold Plate for

　　Electronic Equipment Heat Transferring

　　Jiao Mi

　　(AVIC Xinxiang Aviation Industry Group Ltd., Xinxiang, China, 453000)

　　(Xinxiang Occupation Education Center, Xinxiang, China, 453000)

　　Abstract:

　　Cold plate is an terminal equipment in common use of electronic equipment cooling system, cold plate plays a major role to control the temperature of electronic components does not exceed the maximum permissible temperature in working condition. This paper analyses cold plate should be put forward what technical requirements and specific technical indicators when the design and selection of electronic equipment for liquid cooling cold plate. There are full explanations by analyzing the performance requirements of the cold plate, environmental requirements and interface requirements. These design technical requirements and technical indexes of the system put forward, on the normal work of cold plate and ensure the electronic equipment effectiveness has an important significance.

　　Key words: Liquid cooling, cold plate, electronic equipment, design requirements.

　　1. 引言

　　電子設備的熱設計包括了對電子設備中的耗熱元器件以及整機或系統采用合適的冷卻技術和結構技術，以對它們的溫升進行控制，從而保證電子設備或系統正常、可靠地工作[1]。按照設備的熱流密度、體積功率密度、總功耗、表面積、體積、工作環境條件、熱沉及其它特殊條件可以選用自然冷卻、強制冷卻、熱管冷卻等合適的冷卻方式[2]。在這些不同的冷卻方式特別是液冷冷卻方式中，冷板則是其常用的終端設備。電子設備或電子元器件安裝在冷板上，當它們工作時，其耗散熱傳遞給冷板。冷卻方式雖不同，但冷板中電子設備的耗散熱都要傳遞給最終熱沉。所以冷板的設計，是控制電子設備內部溫度在工作環境條件下，不超過最高允許溫度的關鍵之一。冷板設計的技術要求，主要包括了冷板的性能要求、環境要求及界面要求等。

　　2. 冷板的性能要求

　　冷板的性能要求是冷板能否完成冷板功能的基本要求。冷板的性能技術要求包括了冷板的尺寸、重量、表面不平度和粗糙度，最高設計壓力(MDP)、漏率、工作壽命在流體進出口溫度要求條件下帶走的電子設備耗散熱功率(熱負荷)以及流體在額定工作流量下的壓降。

　　2.1 冷板的傳熱能力——熱負荷Q

　　電子設備的有效輸出功率比所需的輸入功率要小，此多余部分的功率轉化為廢熱而消散掉[1]，電子設備所需要的輸入功率與有效輸出功率之差即耗散功率(冷板熱負荷)。不同的電子設備其耗散功率不同。對耗散功率應進行仔細地計算。因為電子設備的可靠性和平均故障間隔試件(MTBF)可能因元件溫度過高而急劇下降。耗散功率決定了電子設備的散熱方法，反之，散熱方法有決定了元件的結點溫度。為了較為準確的估算耗散功率，可用模擬試驗和計算的方法獲得[1][3].電器設備工程師在進行電子設備熱設計時，習慣地把電子設備的輸入功率作為冷板的耗散功率，是太過保守的，因為這樣的設計會大大增加冷板和冷卻系統的熱負荷，從而增加冷板和系統的體積、重量和成本，甚至可能把可用的簡單的冷卻方法變更為復雜且成本更高的冷卻方式。

　　2.2 冷板表面不平度與粗糙度

　　無論是作為點熱源的電子元件還是可以作為面熱源的電子設備，它們安裝在冷板表面上，其和冷板表面之間的接觸熱阻，則直接影響電子設備的耗散熱的轉移。冷板表面的狀態及其粗糙度和不平度則是影響導熱熱阻的主要因素。

　　金屬表面——即使是經過機械加工的表面，從微觀上看也是凸凹不平的。電子設備表面與冷板表面之間的接觸，有如兩個加工表面之間的接觸形式，受表面粗糙度與不平度的影響，如圖1所示。

　　電子設備表面和冷板表面進行接觸導熱傳熱時，真正的金屬間的接觸表面不足10%，而90%以上的面積則是空氣間隙[4].為了更有利于它們之間的接觸傳熱，除在他們之間設置界面材料外，還要盡可能地減少冷板表面的粗糙度，通過機械加工的方法，可以明顯減少冷板表面的粗糙度，表1為不同機械加工方式可獲得的表面粗糙度的數值[5]。

　　表1 不同機械加工方式可得到的金屬表面粗糙度值

　　加工方法表面粗糙度Ra

　　μmμin

　　拋光0.1-0.44-16

　　研磨01.-1.64-64

　　激光切割0.8-6.332-252

　　金屬模鑄造0.8-1.632-64

　　切削0.8-1.632-64

　　擠壓0.8-3.232-128

　　鉆孔1.6-6.364-252

　　冷板在要求其表面粗糙度是，以大于3.2μm值為宜，這是一個通過高速銑削加工即可達到的數值，過高的粗糙度要求，會增加冷板的加工成本。

　　冷板表面的不平度對其散熱性能方面的影響，遠遠大于它的表面粗糙度的影響。冷板表面不平，電子設備的冷板表面間的接觸面積減小，它們中間多了一層很薄的空氣層，從而增加了它們之間的接觸熱阻。另一方面，作為“面熱源”的電子設備或模塊和作為“點熱源”的電子元器件對冷板表面的不平度要求是不一樣的。 “點熱源”的電子元件對冷板表面的不平度要求很高。對與整塊冷板而言，可以規定產品表面的整體不平度<0.2mm[4],也可提不平度<0.003cm/cm,也有提<0.2mm/100mmx100mm。不平度具體數值，可根據冷板的大小，電子設備(元件)與冷板的安裝接觸情況確定。和冷板的表面粗糙度一樣，過高的表面不平度要求，亦會大大增加冷板的加工成本。

　　2.3 冷板的漏率

　　通常是由其要求的工作年限以及系統整體漏率分解各附件的漏率要求所決定的。普通的液冷系統中冷板可用壓縮空氣進行檢漏。檢漏時，冷板內部充壓縮空氣，壓力為工作壓力的1.2倍，不允許有泄漏氣泡產生。對航空航天用產品泄漏要求高的冷板，一般用氦質譜檢漏法檢查產品的漏率。氦質譜檢漏可以是正壓檢漏，也可以用負壓檢漏。歐空局用于空間站的冷板要求其工作壽命15年，在最高設計壓力15bar下，漏率要求為0.5x10-5ccm/h(MDP)(1.37 x10-8Pam3/s)。一般電子產品的漏率可在1 x10-7Pam3/s左右。

　　2.4 產品的最高設計壓力(MDP)

　　美國機械工程師學會(ASME)換熱器規范(UG-21)規定，產品的最高設計壓力應高于正常操作壓力，并維持一個適當的安全系數，一般它是由兩方面的因素決定的，一方面應考慮液冷系統的流阻及所選擇的泵的壓頭，以及在此壓頭下選用的液冷系統的壓力制度。另一方面，與此壓力制度相適應的冷板的結構型式。通常穿管式、嵌管式及多通道扁管式冷板可耐受很高的流體壓力，可以不考慮產品最高設計壓力的影響。常用的采用真空釬焊形式制造的鋁合金內翅片式冷板在較好設計和工藝制造情況下，可耐受10～15bar的流體壓力，所以產品最高設計壓力設定時，應注意這些問題。

　　2.5 液冷流體的流量及進出口溫度

　　由公式 Q=GCp(tout-tin)

　　式中：

　　Q——冷板電子設備熱負荷，W

　　Cp——定壓比熱，J/kg·K

　　G——液冷介質質量流量，kg/S

　　tout——液冷介質出口溫度，oC

　　tin——液冷介質進口溫度，oC

　　可以看出，在冷板設計時，如果選定液冷介質的流量G，則其進出口溫差(tout- tin)就是個定值，反之，規定了液冷介質進出口的溫差，流量則是一個定值。電子設備表面與流體工質間的溫差一般為5～8 oC。由此，即可推出，已知電子設備熱負荷Q流體進口溫度tin，及要求的電子設備表面溫度時的液冷介質的流量值。tin是由液冷系統提供的參數。較小的(tout- tin)值則要求較大的流量G。

　　2.6 額定工作流量條件下的壓降

　　液冷系統各個部件的壓降決定了液冷泵的壓頭。液冷系統中冷板的壓降，是系統總壓降主要組成部分，其壓降的大小，主要取決于冷板的結構形式、流道尺寸及系統的流量值。冷板設計時，當系統流量確定之后，可采用并調整換熱元件(翅片、流道)以滿足電子設備的換熱要求和壓降要求。當冷板整體結構確定之后，其壓降基本上僅是流體工質流量的函數?！湫屠浒鍓航等缦聢D2：

　　3. 冷板使用環境要求

　　冷板滿足自然與使用環境要求，是冷板使用過程中完成任務的保證。這些要求包括產品必須承受的振動、沖擊、加速度、溫度、濕度、壓力范圍等。航空、航天、地面電子設備對冷板的承受要求值是不一樣的，可參照GJB-150內規定值并結合實際環境使用條件確定。表2和表3分別給出幾個航空、航天型號產品振動和沖擊試驗參數實例以供讀者參考。

表2 冷板產品隨機振動試驗參數

表3 某航天型號冷板產品沖擊試驗參數

　　4. 冷板的界面要求

　　作為要發揮為電子設備散熱功能的冷板，只有把它放在液冷系統和周圍環境中，才能起到作用。除對冷板本身的性能和環境技術要求外，液冷系統和電子設備安裝需其達到的要求，即為冷板的界面要求。這些要求包括系統中的流體界面、機械界面、設備質量以及承載的機械載荷等。

　　冷板的流體界面要求，系指選用的冷板材料要和液冷系統中一起工作的介質有很好的相容性。液冷系統的流體工質通常有水、乙二醇水溶液、去離子水、油、全氟三乙胺及國外一些公司配制的專用液體等。液冷系統選用何種流體介質，是由其系統的換熱要求、環境等條件決定的。而冷板使用的材料則多為不銹鋼、銅合金、鋁合金材料。銅合金可以和大多數無腐蝕性流體介質一起工作，而且，其導熱系數很高，易于加工。鋁及鋁合金和乙二醇水溶液(需加緩釋劑)、油、PAO液體，全氟三乙胺等相容，不銹鋼可以和多種流體相容。一些輕腐蝕性的流體如去離子水亦可選用不銹鋼材料。冷板材料和不同流體介質的相容性見表4。多數流體介質要加少量的緩釋劑，總之冷板所用材料與系統中的工質應有很好的相容性。

表4 流體介質與冷板材料相容性[5]

注：“X”表示相容。

　　作為點熱源的電子元件和小的電子模塊與作為面熱源的電子設備對冷板的機械界面要求是不同的。作為面熱源的電子設備與冷板連接時，它與冷板上的安裝孔通常為通孔。此時安裝孔的位置公差和空間尺寸公差不要小于±0.1mm。而孔的公差可為0.2mm。當一個或多個電子元件和電子模塊用螺釘直接連接在冷板上時，特別是冷板雙面安裝電子元件，冷板上的安裝螺釘孔為盲孔。此種情況下，除考慮孔的位置公差之外，還應注意電子模塊質量載荷及在振動、沖擊載荷下，冷板的剛度設計和螺釘孔的連接強度。鋁制和銅制冷板螺釘孔連接強度低，通常采用增加螺紋的有效長度和增設鋼絲螺套的方法，增加螺釘的連接強度。冷板剛度的增強可采用不同的材料及內部結構并用數值仿真予以解決。

　　5.結束語

　　電子元件冷板的設計應滿足產品的性能要求、環境使用要求和界面要求。電子元件電子模塊或者電子設備不同對冷板的要求亦不盡相同。諸如冷板的不平度、粗糙度、環境要求和界面要求為通用要求，有一些則為不同冷板的特殊要求。應根據冷板的具體使用情況有分析地去制訂滿足冷板使用的設計指標。過高的設計指標必然增加產品的制造成本和冷板質量、材料等不必要的附加成本。

　　參考文獻

　　[1] 余建祖等. 電子設備熱設計及分析技術[M]. 北京：航空航天大學出版社，2008

　　[2] GJB/2 27-92 電子設備熱可靠性設計

　　[3] D.S斯坦伯格，傅軍. 電子設備冷卻技術[M]. 北京：航空工業出版社，1989

　　[4] Bernd Miedza,Burkhard Behrens. Cold plate development for Space Station application [C]//Sixth European Symposium on Space Environmental Control Systems. Noordwijk: ESA SP-400, 1977