電子設備液冷系統冷板熱總線設計

焦 密

（中航工業新航航空（工業）集團，中國新鄉，453000）

摘要：

本文對液冷系統冷板熱總線中的串、并連設計的指導性定律進行了闡述，對此兩種設計的優缺點及應注意的問題作了詳細分析。

關鍵詞：

Designing ofcold plate thermal bus in electronic devices liquidcooling system

JiaoMi

(AVICXinxiang Aviation Industry Co., Ltd., Xinxiang, China, 453000)

Abstract:

This article describes theseries design and the even designguidance law in cold plate thermal bus of liquid cooling system, andsame time, detailed analysis of the advantages and disadvantages ofthe two kinds of design and should pay attention to the problems.

Keywords: thermalbus design, the series design, the even design

1.引言

隨著航天航空、電子信息等軍工和民用領域對電子器件小型化、集成化的封裝要求，電子器件的封裝密度增高，而功能和復雜性以驚人的速度增長，功率增加、體積變小，電子設備工作時的耗散熱熱流密度加大。電子設備過熱問題也愈來愈嚴重，已成為影響電子器件、設備可靠性和使用性能的一個主要因素之一，因此而縮短了電子設備的壽命[4]。間接液冷方式是目前有效地解決電子設備過熱的措施與方法之一。

在大型電子設備中，為完成同一種功能，可由不同的多個電子模塊或器件組成。這些不同功率、不同外形尺寸的電子模塊安裝在各個液冷冷板上。冷板之間的連接可以串連，也可以并連，不同的連接方式，對液冷系統的影響是不同的。與此同時，即使安裝在同一冷板上的電子模塊或器件，也有一個液冷工質流經的先后秩序問題。液冷系統冷板間的連接方式以及冷板上電子器件的安裝位置則決定了液冷系統冷板的熱總線設計。

2.液冷系統中的冷板及其熱總線設計

在電子設備液冷系統中，電子設備的耗散熱是熱源，環境大氣一般是熱沉。電子設備或電子模塊安裝在冷板上，它是液冷系統的終端部件。泵驅動液冷工質在冷板中吸收電子設備的耗散熱，并通過一個液冷工質——空氣換熱器把此部分熱量傳給環境大氣。其閉式液冷系統工作原理如圖1所示:

圖1 閉式液冷系統及單塊冷板

注：1.電子設備、電子模塊 2.液冷冷板 3.熱交換器 4.風機

5.膨脹罐 6.泵 7. 安全活門 8. 過濾器

根據電子設備散熱的需要，液冷系統中的冷板可能是一塊，也可能是多塊，多個冷板在液冷系統中，可以是串連設計，也可以是并連設計，也可能是串連與并連同時使用。冷板間的連接設計即為冷板的熱總線設計。

1.冷板的串連設計

冷板的串連，即多個冷板串在一起工作。液冷工質在泵的驅動下，依次流經各個冷板。根據連續方程、傳熱方程和能量守恒定律，可以有：

?   系統的總流量與各冷板的流量相等；

?   系統總的壓力損失是各冷板壓力損失與流經管道、閥門壓力損失之和；

?   系統總熱負荷為各冷板熱負荷之和；

?   液冷工質總溫升為各冷板溫升之和。

3.1 串連冷板設計應注意以下幾個問題：

1）各冷板的流阻不宜過大。如在冷板設計時往往為滿足電子設備的散熱要求，而加大冷板的流阻設計。各個冷板的流阻太大，系統的總流阻則高。整個液冷系統高壓運行，系統可靠性變差。

2）系統串連設計中的冷板的位置排列應注意，把要求表面溫低的電子設備冷板放在各個冷板的前面，液冷工質先行流經；允許表面溫度高的電子冷板則放在系統冷板的出口。液冷工質進入系統熱總線各冷板后，吸收了各個冷板上電子設備的耗散熱，而溫度逐漸升高，所以各冷板的工作溫度除因冷板的熱負荷差異而不同外，也因在熱總線中的先后位置不同而不同。在熱總線設計時應特別注意冷板上的各個電子設備、模塊或元器件允許的表面溫度的差異，依次排列它們在系統中的先后位置。

3）不同熱流密度要求的冷板合理設計。多個電子設備裝在同一冷板上，由于電子設備、模塊的功率和耗散熱不同，及和冷板間的接觸傳熱面積也不盡一樣，所以各電子設備的熱流密度不同，而串連熱總線設計的各冷板的流量相同，所以冷板的內部結構設計時，可以對冷板上的熱流密度大的位置進行局部強化傳熱設計，而不必要求整個冷板上的等熱流密度設計。

3.2系統最小流量的確定

在串連熱總線設計時，應把允許表面溫度最高的電子設備冷板放在系統冷板的出口。串連冷板的最小流量則是由該冷板電子設備的允許表面溫度要求決定。整個電子設備耗散熱傳熱的路徑為圖2所示：

在液冷系統設計時，為充分考慮電子設備工作的可靠性，往往限定液冷工質的進出口溫差在5～8℃之內，而不考慮電子設備的允許表面溫度值及傳熱溫差?。由此一方面求出的泵的流量值很大，從而增大了泵的功率負荷，另一方面大的泵的流量值雖有利于傳熱設計，但卻增大了系統流阻。

串連熱總線設計，結構簡單，不考慮冷板的流量分配與控制，但它的系統工作壓力較高，這是一種常用的設計方法。

1.冷板并連熱總線設計

并連設計的指導性定律：

系統的總流量為各冷板分流量之和；

系統的總熱負荷為各冷板熱負荷之和；

系統的液冷工質總溫升為各冷板溫升之和；

系統中的各冷板的液冷工質流阻相等，此也為系統流阻。

并連的熱總線設計系統流阻小，運行可靠性高。在具體并連設計時還應注意：

（1）  單個冷板的最小流量，可按上述方式計算求出；系統的最小流量為各冷板流量之和。

（2）  應充分注意各冷板的流量分配

各冷板前不設置流量控制器的簡單并連設計，流經各冷板的流量是靠各冷板的液冷工質的流阻大小，自行調節決定的。流阻大的冷板，液冷工質的流量??；而流阻小的冷板，則流量大。所以，在冷板的內部結構設計時，應根據電子設備熱負荷的大小，對冷板的流道結構嚴格設計，以保證在冷板流量情況下冷板內的工質流速及換熱要求。

并連熱總線設計通常在各冷板之前設置一個流量調節控制活門，因而使系統變得略微復雜。但各冷板的流量可按換熱需要進行調節和控制。另一方面，對每個冷板的內部結構設計也變得容易。此方法更容易被采用。

（3）相對于冷板的串連設計，并連中各冷板的流量要小，所以單個冷板在相同電子設備熱負荷情況下的溫升?T也高。冷板上液冷工質溫度場的均勻性不如串連設計。如果期望冷板上的電子設備在更為適當的溫度區間工作運行時，各冷板所選的流量要大一些。泵的總流量也大，以降低每個冷板上的流體溫升值。

2.串、并連同時使用的熱總線設計

在多個冷板同時工作的熱總線設計時，通常有總體是串連設計而局部幾個又并連的冷板；也會出現總體并連熱總線設計而個別幾個冷板串連在一起的設計。如何設計，應根據電子設備熱負荷的大小，冷板的安裝形式、流量分配、電子設備允許表面溫度的高低等因素而確定。

3.單個冷板上不同熱流密度模塊的安排布置

一塊冷板上往往分布式設置多個電子模塊或大功率電子元件。而這些電子模塊和電子元件的功率各異。對單個冷板上電子模塊和元件的布置散熱時的流體流動布置，亦應遵循上述串、并連設計原則。例如，一個液冷冷板上布置有七個電子模塊，各模塊的功率與其和冷板間的接觸面積不同，當它們統一地串連連接冷卻時，如圖3所示。

7個模塊總體串連連接，局部并連連接冷卻時，如圖4所示：

1.結論

間接液冷方式已逐漸成為解決電子設備過熱問題的主要方式。當液冷系統中多個冷板共同工作時，應特別注意各個冷板的串連與并連的熱總線設計，按串、并連指導性定律進行設計計算，并根據計算結果選擇使用合適的液冷泵。

參考文獻：

[1]Ted J.Kramer, Donald L. Myron,etc. Two-Phase Ammonia Thermal BusPerformance,AIIAA-88-2701

[2]F.Edelstein and M.Liandris, Thermal Test Result of The Two Phase Thermal BusTechnology Demonstration Loop, AIAA-87-1627