液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊的散熱技術(shù)分析*

李維天 張育棟 董陽陽

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）（2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071）

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電氣設(shè)備向高功率、高熱流密度、小型化、集成化方向發(fā)展，對電子設(shè)備的散熱提出了越來越高的要求［1］。由于液冷散熱方式具備較高的換熱效率，比空氣冷卻換熱效率至少高100倍［2］，所以目前液冷機(jī)箱越來越多的應(yīng)用在各個平臺上。很多電子設(shè)備往往做成標(biāo)準(zhǔn)插箱的形式，內(nèi)部包含多個標(biāo)準(zhǔn)插拔模塊，具備較好的通用性和維修性；液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊的功耗偏高，功耗值普遍在50W～150W之間；內(nèi)部模塊的熱設(shè)計(jì)是一個關(guān)鍵問題，在制定模塊的熱設(shè)計(jì)方案過程中，如何將熱量高效快速導(dǎo)出，是設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)［3～4］。

本文將重點(diǎn)研究液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊的熱設(shè)計(jì)。以某艦載液冷機(jī)箱內(nèi)的典型功能模塊為研究對象，分析模塊采用不同散熱結(jié)構(gòu)的散熱性能，可作為后續(xù)模塊設(shè)計(jì)的參考。

2 液冷機(jī)箱內(nèi)部散熱方式分析

2.1 液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成

液冷機(jī)箱多數(shù)采用鋁合金材質(zhì)，內(nèi)部設(shè)計(jì)出流體通道（以下簡稱流道），流道布置在側(cè)壁板。模塊內(nèi)的印制板上布置有多個電子元器件，完成預(yù)定的功能，印制板一般安裝在冷板上，冷板作為電子元器件的散熱通道。如圖1所示，模塊以插件的方式安裝在液冷機(jī)箱中；模塊上安裝有鎖緊器和助拔器，助拔器用于模塊的輔助插入和拔出，鎖緊器用于模塊插入機(jī)箱后的固定。

圖1 液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成

2.2 液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊熱傳導(dǎo)分析

由液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成可得出機(jī)箱內(nèi)部具體傳熱過程：電子元器件的熱量通過模塊的冷板傳導(dǎo)至機(jī)箱導(dǎo)軌，再由機(jī)箱導(dǎo)軌傳導(dǎo)至冷卻液。機(jī)箱導(dǎo)軌的溫度是液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊的重要熱設(shè)計(jì)輸入要素，會直接影響到模塊內(nèi)部電子元器件的溫升值。在工程應(yīng)用上，由于給定的外界條件不同，例如供液溫度、供液流量、與機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素，這些因素決定了機(jī)箱導(dǎo)軌溫度［5］。

以模塊內(nèi)的單個電子器件為研究對象，器件工作產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至機(jī)箱導(dǎo)軌；由傅里葉導(dǎo)熱定律，器件的外表面溫度升高值：

式中T1為器件外表面溫度，T2為機(jī)箱導(dǎo)軌壁面溫度，Q為器件的熱耗，R為從電子器件外殼至機(jī)箱導(dǎo)軌的傳導(dǎo)熱阻。由上述熱量傳導(dǎo)過程可推得傳導(dǎo)熱阻：

式中R1為器件與冷板接觸面之間的接觸熱阻，℃/W；R2為從冷板接觸面到冷板散熱邊沿的傳導(dǎo)熱阻，℃/W；R3為冷板散熱邊沿與機(jī)箱導(dǎo)軌的接觸熱阻，℃/W［6～7］。

2.3 典型模塊內(nèi)部電子元器件布局

以下針對液冷機(jī)箱內(nèi)某個典型模塊進(jìn)行分析與研究。如圖2所示，根據(jù)功能需要，模塊的印制板上布置有多個器件（集成電路），集中在印制板的中部區(qū)域，VPX型連接器被布置在右側(cè)端部，作為模塊的電氣接口。器件1與器件2功耗均為20W，器件3的功耗為10W，器件4和器件5的功耗均為35W，模塊總功耗為120W。為保證器件長期穩(wěn)定工作，這5個器件的殼溫不得超過80℃。

圖2 印制板電子元器件布局圖

3 純鋁冷板的設(shè)計(jì)與分析

如圖3所示，模塊的冷板通常采用鋁合金材料，設(shè)計(jì)成一個整體，助拔器與鎖緊器通過螺釘安裝到冷板上，與印制板上發(fā)熱器件相對應(yīng)的表面設(shè)計(jì)出凸臺結(jié)構(gòu)，凸臺的位置、面積、高度與印制板上的發(fā)熱器件一一對應(yīng)。器件產(chǎn)生的熱量通過凸臺傳導(dǎo)至冷板主體區(qū)域，通過導(dǎo)熱棱邊傳導(dǎo)至液冷機(jī)箱上。值得注意的是，凸臺表面需安裝柔性導(dǎo)熱襯墊，使得器件與凸臺獲得良好的接觸效果；本文中采用厚度為1mm的導(dǎo)熱襯墊，壓縮后的厚度為0.75mm，其導(dǎo)熱率為5W/（m·K）。冷板材料選用導(dǎo)熱率較高的6061鋁合金，其導(dǎo)熱率為167W/（m·K）。

圖3 模塊冷板三維模型

把UG軟件中設(shè)計(jì)的冷板模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中處理后，使用ANSYS Icepak進(jìn)行仿真計(jì)算。其中模塊與機(jī)箱導(dǎo)軌接觸面要設(shè)置接觸熱阻；在模塊導(dǎo)熱邊上設(shè)置接觸熱阻為0.00015m2·K/W［5，8］。采用試算的方式，分別設(shè)置機(jī)箱導(dǎo)軌的壁面溫度為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，忽略對流和輻射散熱作用，計(jì)算各器件的最大殼溫，結(jié)果如圖4所示。

圖4 純鋁冷板對應(yīng)的仿真計(jì)算值

從上圖中的各曲線可看出，當(dāng)機(jī)箱導(dǎo)軌壁面溫度超過35℃時，各器件殼溫均超過80℃，無法滿足使用需求。在這種情況下，液冷機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)者需將導(dǎo)軌壁面溫度降至35℃以下，才能滿足散熱需求；但是此時的器件殼溫依然是偏高的。對于電子器件，溫度每上升10℃，其失效率將增加一倍［1］。若要使器件的溫升下降，則需較低的機(jī)箱導(dǎo)軌溫度，這樣會給機(jī)箱設(shè)計(jì)者帶來困難，有時是無法滿足的。

4 內(nèi)嵌熱管式冷板的設(shè)計(jì)與分析

平板熱管常用來拉平多排元器件的溫度，并冷卻多排元器件；特別適用于集成電路組件、MCM組件、晶體管組件以及高功率密度組件的散熱［6］。所以嘗試采用熱管來提高冷板的散熱性能。

如圖5所示，平板熱管工作原理是：當(dāng)蒸發(fā)端受熱時則毛細(xì)材料中的液體蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝端，受到冷卻冷凝成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力作用流向蒸發(fā)端；如此循環(huán)，熱量由熱管的一端傳至另一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)開來［6］。

圖5 平板熱管結(jié)構(gòu)［6］

冷板的設(shè)計(jì)思路是將模塊內(nèi)部芯片的熱量快速傳導(dǎo)至模塊外側(cè)棱邊上，然后傳導(dǎo)至機(jī)箱導(dǎo)軌上。在純鋁冷板上嵌入兩個扁平熱管，把它們布置在5個發(fā)熱器件的正上方，然后貫穿殼體Y方向（充分利用熱管在Y方向上高導(dǎo)熱率），這樣便減小了局部傳導(dǎo)熱阻，有利于器件的散熱。本文中兩個熱管的尺寸均為200mm×10mm×3mm。內(nèi)嵌熱管式冷板的其他結(jié)構(gòu)要素與純鋁冷板保持一致。

圖6 內(nèi)嵌熱管式冷板結(jié)構(gòu)外形

仿真計(jì)算時，熱管可看作高導(dǎo)熱率的均勻材質(zhì)，設(shè)置熱管的等效導(dǎo)熱率為1000W/m·K［9～10］。分別設(shè)置機(jī)箱導(dǎo)軌的壁面溫度為35℃、40℃、45℃、50℃，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 內(nèi)嵌熱管式冷板對應(yīng)的仿真計(jì)算值

可以看出，當(dāng)機(jī)箱導(dǎo)軌壁面溫度超過40℃時，各器件殼溫均超過了80℃。在相同導(dǎo)軌壁面溫度條件下（以40℃為例），內(nèi)嵌熱管式冷板與純鋁冷板相比，電子器件殼溫下降5℃～8℃，導(dǎo)熱性能得到改善。

5 一體化均溫板的設(shè)計(jì)與分析

一體化均溫板因其等效導(dǎo)熱率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)形式靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為軍用大功率電子設(shè)備散熱的主要解決方案和研究對象之一［11］。真空腔均溫板技術(shù)從原理上類似于熱管，但在傳導(dǎo)方式上有所區(qū)別：熱管為一維線性熱傳導(dǎo)，而真空腔均溫板中的熱量則是在一個二維的面上傳導(dǎo)，因此效率更高［12］。如圖8所示，均溫板內(nèi)底部的液體工質(zhì)在吸收電子器件的熱量后，蒸發(fā)擴(kuò)散至真空腔內(nèi)，將熱量傳導(dǎo)至散熱鰭片上，隨后冷凝為液體回到底部。這種蒸發(fā)、冷凝過程在真空腔內(nèi)快速循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)高的散熱效率。

圖8 均溫板工作原理［5］

如圖9所示，以純鋁冷板外形為基礎(chǔ)，將冷板設(shè)計(jì)成一體化均溫板結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)方法和加工工藝比前兩者復(fù)雜一些；均溫板區(qū)域的厚度為3mm，內(nèi)部導(dǎo)熱凸臺布置在均溫板區(qū)域下方。

圖9 一體化均溫板式冷板結(jié)構(gòu)

由于均溫板的蒸汽腔特性過于復(fù)雜難以模擬，在數(shù)值分析時使用等效導(dǎo)熱系數(shù)來處理蒸汽腔的計(jì)算［3］，取均溫板的等效導(dǎo)熱系數(shù)為1000W/m·K［5］。

分別設(shè)置導(dǎo)軌壁面溫度40℃、45℃、50℃，仿真計(jì)算結(jié)果如圖10所示。當(dāng)機(jī)箱導(dǎo)軌壁面溫度高于45℃時，各器件殼溫均高于80℃。

圖10 一體化均溫板對應(yīng)的仿真計(jì)算值

表1為機(jī)箱導(dǎo)軌壁溫為40℃時，三種不同冷板結(jié)構(gòu)內(nèi)的各個器件溫度。由表中數(shù)據(jù)得，器件4的溫度最高，均溫板與純鋁冷板相比，器件4的殼溫下降了16.3℃；與熱管冷板相比，器件4的殼溫下降了8.1℃；其他器件的溫度也有不同程度的下降。證明模塊采用一體化均溫板結(jié)構(gòu)后，散熱效果提升明顯，模塊有了更寬的溫度適應(yīng)范圍。

表1 機(jī)箱導(dǎo)軌壁溫為40℃時不同冷板結(jié)構(gòu)內(nèi)的器件溫度

6 結(jié)語

本文針對液冷機(jī)箱內(nèi)典型模塊的高熱耗的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)對應(yīng)的純鋁冷板、內(nèi)嵌熱管式冷板、一體化均溫板；使用ANSYS Icepak軟件分析了各自的散熱性能。從分析結(jié)果看出，一體化均溫板結(jié)構(gòu)具備較寬的溫度適用范圍，尤其是在高溫條件下具備明顯的散熱性能優(yōu)勢。隨著均溫板技術(shù)的不斷提高，均溫板的散熱性能會繼續(xù)提升；在如今電子設(shè)備功耗不斷增加的情況下，具備廣闊的應(yīng)用前景。讀者可根據(jù)工程項(xiàng)目中的實(shí)際情況，綜合經(jīng)濟(jì)性、工藝性和可靠性等多方面因素，采用合適的模塊散熱結(jié)構(gòu)，從而得到較優(yōu)的使用效果。