一種電子設(shè)備的集成液冷散熱設(shè)計(jì)

林蘭修 張騰洋 張偉濤

（同方電子科技有限公司，江西 九江 332007）

電子設(shè)備的散熱問(wèn)題一直是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。功率器件是多數(shù)電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞會(huì)直接影響整機(jī)可靠性。尤其是大功率器件發(fā)熱量大，熱量密度高，需要選擇合理的散熱和冷卻方法，設(shè)計(jì)有效的散熱系統(tǒng)，把電子元器件的溫度控制在規(guī)定的數(shù)值下，在熱源至外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通道，以確保熱量能夠順利地散發(fā)出去。

設(shè)備小型化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的趨勢(shì)，小型化后設(shè)備的熱流密度也越來(lái)越大，散熱問(wèn)題更突出。電子設(shè)備的散熱方式多種多樣，其中小型設(shè)備以風(fēng)冷散熱為主。風(fēng)冷散熱難以滿足大功率設(shè)備的要求。液冷散熱多采用外掛式設(shè)計(jì)，即液冷源與設(shè)備分開(kāi)。該文的設(shè)計(jì)將液冷和風(fēng)冷進(jìn)行了結(jié)合，集中統(tǒng)一到單機(jī)設(shè)備中，在有限的空間中利用合理的布局解決散熱問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

某電子設(shè)備要求19 英寸標(biāo)準(zhǔn)上架機(jī)箱，高度3U，深度不大于500mm，工作溫度為-40℃～+55℃。經(jīng)過(guò)初步估算，整機(jī)耗散功率約1300W，其中1000W 熱源集中在4 個(gè)功放管上，管殼最高工作溫度不超過(guò)95℃。還有2 個(gè)電源模塊熱量較大，分別為80W 和120W，工作溫度不超過(guò)85℃，其余耗散功率分散到各個(gè)單元中。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 散熱方法的選擇

設(shè)備中的功放管散熱截面為10.3mm×41.3mm，局部最大熱流密度達(dá)58.8W/cm2，整機(jī)熱流密度為0.2W/cm2。從整機(jī)熱流密度看，可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，但局部熱流密度過(guò)大，如果無(wú)法快速導(dǎo)出熱量，將導(dǎo)致熱源溫度過(guò)高，進(jìn)而損壞器件。因此需要效率更高的散熱措施，即液冷散熱是比較理想的選擇[1]。

液冷技術(shù)是將液體作為冷卻介質(zhì)與熱源進(jìn)行換熱，從而冷卻熱源的散熱方式。由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱均比空氣大得多（如20℃的水導(dǎo)熱系數(shù)為0.58W/m·K，比熱容為4.1813kJ/kg·℃，同等溫度下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.024W/m·K，比熱容為1.005kJ/kg·K），散熱能力是空氣無(wú)法比擬的。在局部熱流密度大的場(chǎng)合（大功率發(fā)射機(jī)的發(fā)射管）常采用該方法。其缺點(diǎn)是系統(tǒng)比較復(fù)雜，體積和質(zhì)量較大，設(shè)備費(fèi)用較高，維修也較困難。

2.2 散熱系統(tǒng)的組成

完整的液冷散熱系統(tǒng)由冷板、水泵、水箱、換熱器、壓力調(diào)節(jié)、流量控制、電路控制以及液冷管路等組成。其中水泵、冷板、換熱器和水箱是液冷系統(tǒng)必不可少的組成部分。該設(shè)備受尺寸限制，采用的是最簡(jiǎn)化的液冷系統(tǒng)，舍棄了復(fù)雜的液冷管路、壓力調(diào)節(jié)和流量控制等裝置，僅保留最基本的冷板、水泵、水箱以及換熱器，采用盡可能短的管路設(shè)計(jì)，將液冷系統(tǒng)集成到設(shè)備內(nèi)部。液冷系統(tǒng)組成及原理如圖1所示。

圖1 液冷系統(tǒng)組成及工作原理圖

圖1 中水泵為液冷散熱系統(tǒng)的動(dòng)力之源，為液體流動(dòng)提供動(dòng)力。冷板是熱源與冷卻液之間的連接部件，冷板表面安裝了熱源，內(nèi)部有密封管道，可流通液體，并通過(guò)冷板把熱源的熱量傳遞給冷卻液。換熱器是液冷系統(tǒng)熱交換終端，通過(guò)換熱器將熱量散發(fā)到外界。水箱提供冷卻液存貯、泄壓和換液等輔助功能。

冷卻液流向：水箱→水泵→冷板→換熱器→水箱。

熱量流向：熱源→冷板→冷卻液→換熱器→空氣→風(fēng)機(jī)→排出設(shè)備。

2.3 結(jié)構(gòu)布局

合理的結(jié)構(gòu)布局和風(fēng)道設(shè)計(jì)能有效地均衡內(nèi)部溫度。該設(shè)備電路部分有功放、濾波、電源、數(shù)據(jù)處理、天調(diào)接口以及液冷控制等模塊。其中主要熱源在功放和電源模塊，其余數(shù)據(jù)處理、天調(diào)接口和濾波等模塊均為小功率模塊。為最大程度保證風(fēng)道暢通并滿足各模塊安裝需求，將冷板放大，做成大平板結(jié)構(gòu)，在冷板內(nèi)部加工出管道并充滿冷卻液體，其余各內(nèi)部模塊安裝在冷板上、下兩面。這樣做可最大限度地利用液冷散熱的優(yōu)勢(shì)，便于合理排布熱源位置且不影響風(fēng)道。4 個(gè)功放管作為主要熱源分布在冷板上方，電源模塊安裝在冷板下方，位置不重疊，便于電路排版布局。

換熱器和水箱同時(shí)安裝在后面板上，通過(guò)很短的管路連接在一起。風(fēng)機(jī)安裝在與后面板換熱器相對(duì)的位置，采用抽風(fēng)方式工作。水泵直接安裝在水箱上，省去了復(fù)雜的管道連接。通過(guò)這樣緊湊的設(shè)計(jì)，將液冷散熱系統(tǒng)的各組成部分分散安裝到設(shè)備內(nèi)部，與設(shè)備各功能模塊緊密結(jié)合在一起，達(dá)到設(shè)備小型化和高效散熱的目的。詳細(xì)布局如圖2、圖3所示。圖2 表示冷板上方各模塊的安裝布局，圖3 表示冷板下方各模塊的安裝布局。

圖2 設(shè)備俯視圖

圖3 設(shè)備底視圖

2.4 冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冷板是液冷散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。冷板的設(shè)計(jì)將直接影響液冷系統(tǒng)散熱效果。需要考慮如下方面的因素[1]：1）選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的材料制造。2）盡量減少熱源與冷板之間的熱阻。3）盡量縮短熱源與冷卻液之間的傳導(dǎo)路徑。4）規(guī)劃合理的流道設(shè)計(jì)，兼顧各模塊的熱源位置，做到合理分布。5）流道內(nèi)部設(shè)計(jì)兼顧散熱面積和流速。

鋁是理想的導(dǎo)熱材料，具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)高、易加工和強(qiáng)度適中的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的各類零部件中。冷板采用鋁材制造，冷板中間采用銑加工的方式直接加工出流道，再加工出與流道吻合的蓋板，運(yùn)用攪拌摩擦焊的先進(jìn)工藝將蓋板與冷板主體焊接在一起，形成密封通道。這樣加工出來(lái)的冷板流道設(shè)計(jì)靈活，冷卻液與冷板直接接觸，與熱源的傳導(dǎo)路徑短，能夠在最大程度上發(fā)揮液冷散熱的優(yōu)勢(shì)。如圖4所示。

圖4 冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 中的進(jìn)出液口并列排布，與水箱和水泵的接口對(duì)接。內(nèi)部采用蛇形流道，流道腔體內(nèi)增加翅片，形成微通道。由于冷板直接面對(duì)的是印制板上的發(fā)熱器件，有功放管，也有電源模塊，發(fā)熱點(diǎn)較多且局部發(fā)熱量較大，進(jìn)行流道設(shè)計(jì)時(shí)整體采用蛇形流道。在流道彎道處，對(duì)翅片進(jìn)行了導(dǎo)流設(shè)計(jì)，在直道處翅片成隊(duì)列式排列，流體進(jìn)入流道時(shí)成紊流狀態(tài)，增加了冷卻液的接觸面積，同時(shí)也增大了對(duì)流換熱系數(shù)，提高散熱效率。

2.5 管路連接

在液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，管路連接往往占用空間較大且影響美觀。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少管道數(shù)量和長(zhǎng)度。該文將水箱作為液體的中轉(zhuǎn)連通、存儲(chǔ)和緩沖的部件，將水泵、冷板和換熱器連接在一起，形成一個(gè)整體。在水箱內(nèi)部加工出液體的流通管道和存儲(chǔ)空間，使液體在各零部件之間能夠流通。采用對(duì)插式流體連接器連接冷板和水箱。與管道相比，流體連接器具有占用空間小、斷開(kāi)可自動(dòng)密封、便于維修和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。換熱器與水箱通過(guò)很短的軟管直連，可調(diào)整裝配時(shí)各零部件之間的間隙和誤差，降低使用要求和制造成本。

2.6 風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)道是冷卻空氣流通的通道，應(yīng)盡量減少風(fēng)道風(fēng)阻，以減少氣流的壓力損失，保證通道通暢。同時(shí)應(yīng)盡量增大穿過(guò)換熱器的空氣流量和流速，以提高散熱效果。整機(jī)采用前、后通風(fēng)結(jié)構(gòu)，將換熱器安裝在后面板上。冷風(fēng)從設(shè)備前面板進(jìn)入，經(jīng)過(guò)各模塊和換熱器，由后面板風(fēng)機(jī)輸出，兼顧分散熱源和換熱器散熱，形成完整的散熱通道。本機(jī)采用前、后通風(fēng)方式，氣流進(jìn)入設(shè)備后，從冷板上、下兩側(cè)快速流過(guò)各單元模塊，通過(guò)換熱器并經(jīng)風(fēng)機(jī)排出。風(fēng)道如圖5所示。

圖5 風(fēng)道示意圖

風(fēng)量的計(jì)算如公式（1）所示[2]。

式中：ρ為空氣的密度，取1.06kg/m3；Cp為空氣的比熱，取1005J/（kg·℃）；Δt為空氣的出口與進(jìn)口溫差，取典型值10℃計(jì)算；Φ為設(shè)備總功耗，取1300W，計(jì)算得Qf=0.122m3/s。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選用3 個(gè)120mm×120mm×38mm 的軸流風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速5500r/min，最大風(fēng)量為6.05m3/min，計(jì)算可得最大總風(fēng)量為0.3025m3/s?？紤]壓力損失較大，工作點(diǎn)風(fēng)量在最大風(fēng)量的50% 左右，所選風(fēng)機(jī)仍能滿足要求。

3 仿真分析

利用熱分析軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，可減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短研制周期，并降低成本。Icepak 是目前較流行的專業(yè)電子設(shè)備熱分析及仿真軟件，能夠解決系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)以及封裝級(jí)的熱分析問(wèn)題，在通信、汽車電子設(shè)備和電源設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

在進(jìn)行仿真分析前，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。其中冷板的流道設(shè)計(jì)和液體的流速、流量及壓力對(duì)散熱效果影響最大。該設(shè)備主要對(duì)冷板進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 環(huán)境溫度55℃時(shí)熱源溫升情況

圖7 環(huán)境溫度55℃時(shí)冷板液體流動(dòng)情況

通過(guò)Icepak 的分析可知，液冷系統(tǒng)為環(huán)境55℃時(shí)，只需提供15L/min 的流量，熱源的最高溫度約80.7℃，完全滿足器件溫升要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

上述電子設(shè)備已生產(chǎn)樣機(jī)，運(yùn)行后經(jīng)過(guò)檢測(cè)，熱源溫升為25℃，與仿真結(jié)果相近。經(jīng)過(guò)高溫55℃和低溫-40℃環(huán)境例行試驗(yàn)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，充分說(shuō)明集成液冷散熱系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對(duì)電子設(shè)備液冷系統(tǒng)進(jìn)行整體布局、冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、風(fēng)道分析和仿真熱分析，逐步說(shuō)明了集成液冷散熱系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，闡述了集成化設(shè)計(jì)思路的應(yīng)用方式，同時(shí)通過(guò)仿真和樣機(jī)試驗(yàn)充分說(shuō)明了采用液冷式散熱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。