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    电子设备液冷系统冷板热总线设计

    发布时间:2018-09-29 浏览:1883次

    电子设备液冷系统冷板热总线设计

     

    焦 密

    (中航工业新航航空(工业)集团,中国新乡,453000)

     

    摘要:

    本文对液冷系统冷板热总线中的串、并连设计的指导性定律进行了阐述,对此两种设计的优缺点及应注意的问题作了详细分析。

     

    关键词:

     

    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

    随着航天航空、电子信息等军工和民用领域对电子器件小型化、集成化的封装要求,电子器件的封装密度增高,而功能和复杂性以惊人的速度增长,功率增加、体积变小,电子设备工作时的耗散热热流密度加大。电子设备过热问题也愈来愈严重,已成为影响电子器件、设备可靠性和使用性能的一个主要因素之一,因此而缩短了电子设备的寿命[4]。间接液冷方式是目前有效地解决电子设备过热的措施与方法之一。

    在大型电子设备中,为完成同一种功能,可由不同的多个电子模块或器件组成。这些不同功率、不同外形尺寸的电子模块安装在各个液冷冷板上。冷板之间的连接可以串连,也可以并连,不同的连接方式,对液冷系统的影响是不同的。与此同时,即使安装在同一冷板上的电子模块或器件,也有一个液冷工质流经的先后秩序问题。液冷系统冷板间的连接方式以及冷板上电子器件的安装位置则决定了液冷系统冷板的热总线设计。

     

    2.液冷系统中的冷板及其热总线设计

    在电子设备液冷系统中,电子设备的耗散热是热源,环境大气一般是热沉。电子设备或电子模块安装在冷板上,它是液冷系统的终端部件。泵驱动液冷工质在冷板中吸收电子设备的耗散热,并通过一个液冷工质——空气换热器把此部分热量传给环境大气。其闭式液冷系统工作原理如图1所示:


    图1 闭式液冷系统及单块冷板

     

    注:1.电子设备、电子模块 2.液冷冷板 3.热交换器 4.风机

    5.膨胀罐 6.泵 7. 安全活门 8. 过滤器

     

    根据电子设备散热的需要,液冷系统中的冷板可能是一块,也可能是多块,多个冷板在液冷系统中,可以是串连设计,也可以是并连设计,也可能是串连与并连同时使用。冷板间的连接设计即为冷板的热总线设计。

     

    1.冷板的串连设计

    冷板的串连,即多个冷板串在一起工作。液冷工质在泵的驱动下,依次流经各个冷板。根据连续方程、传热方程和能量守恒定律,可以有:

    Ÿ   系统的总流量与各冷板的流量相等;

    Ÿ   系统总的压力损失是各冷板压力损失与流经管道、阀门压力损失之和;

    Ÿ   系统总热负荷为各冷板热负荷之和;

    Ÿ   液冷工质总温升为各冷板温升之和。

    3.1 串连冷板设计应注意以下几个问题:

    1)各冷板的流阻不宜过大。如在冷板设计时往往为满足电子设备的散热要求,而加大冷板的流阻设计。各个冷板的流阻太大,系统的总流阻则高。整个液冷系统高压运行,系统可靠性变差。

    2)系统串连设计中的冷板的位置排列应注意,把要求表面温低的电子设备冷板放在各个冷板的前面,液冷工质先行流经;允许表面温度高的电子冷板则放在系统冷板的出口。液冷工质进入系统热总线各冷板后,吸收了各个冷板上电子设备的耗散热,而温度逐渐升高,所以各冷板的工作温度除因冷板的热负荷差异而不同外,也因在热总线中的先后位置不同而不同。在热总线设计时应特别注意冷板上的各个电子设备、模块或元器件允许的表面温度的差异,依次排列它们在系统中的先后位置。

    3)不同热流密度要求的冷板合理设计。多个电子设备装在同一冷板上,由于电子设备、模块的功率和耗散热不同,及和冷板间的接触传热面积也不尽一样,所以各电子设备的热流密度不同,而串连热总线设计的各冷板的流量相同,所以冷板的内部结构设计时,可以对冷板上的热流密度大的位置进行局部强化传热设计,而不必要求整个冷板上的等热流密度设计。

     

    3.2系统最小流量的确定

    在串连热总线设计时,应把允许表面温度最高的电子设备冷板放在系统冷板的出口。串连冷板的最小流量则是由该冷板电子设备的允许表面温度要求决定。整个电子设备耗散热传热的路径为图2所示:


    液冷系统设计时,为充分考虑电子设备工作的可靠性,往往限定液冷工质的进出口温差在5~8℃之内,而不考虑电子设备的允许表面温度值及传热温差。由此一方面求出的泵的流量值很大,从而增大了泵的功率负荷,另一方面大的泵的流量值虽有利于传热设计,但却增大了系统流阻。

    串连热总线设计,结构简单,不考虑冷板的流量分配与控制,但它的系统工作压力较高,这是一种常用的设计方法。

     

    1.冷板并连热总线设计

    并连设计的指导性定律:

    系统的总流量为各冷板分流量之和;

    系统的总热负荷为各冷板热负荷之和;

    系统的液冷工质总温升为各冷板温升之和;

    系统中的各冷板的液冷工质流阻相等,此也为系统流阻。

    并连的热总线设计系统流阻小,运行可靠性高。在具体并连设计时还应注意:

    (1)  单个冷板的最小流量,可按上述方式计算求出;系统的最小流量为各冷板流量之和。

    (2)  应充分注意各冷板的流量分配

    各冷板前不设置流量控制器的简单并连设计,流经各冷板的流量是靠各冷板的液冷工质的流阻大小,自行调节决定的。流阻大的冷板,液冷工质的流量小;而流阻小的冷板,则流量大。所以,在冷板的内部结构设计时,应根据电子设备热负荷的大小,对冷板的流道结构严格设计,以保证在冷板流量情况下冷板内的工质流速及换热要求。

    并连热总线设计通常在各冷板之前设置一个流量调节控制活门,因而使系统变得略微复杂。但各冷板的流量可按换热需要进行调节和控制。另一方面,对每个冷板的内部结构设计也变得容易。此方法更容易被采用。

    (3)相对于冷板的串连设计,并连中各冷板的流量要小,所以单个冷板在相同电子设备热负荷情况下的温升∆T也高。冷板上液冷工质温度场的均匀性不如串连设计。如果期望冷板上的电子设备在更为适当的温度区间工作运行时,各冷板所选的流量要大一些。泵的总流量也大,以降低每个冷板上的流体温升值。

     

    2.串、并连同时使用的热总线设计

    在多个冷板同时工作的热总线设计时,通常有总体是串连设计而局部几个又并连的冷板;也会出现总体并连热总线设计而个别几个冷板串连在一起的设计。如何设计,应根据电子设备热负荷的大小,冷板的安装形式、流量分配、电子设备允许表面温度的高低等因素而确定。

     

    3.单个冷板上不同热流密度模块的安排布置

    一块冷板上往往分布式设置多个电子模块或大功率电子元件。而这些电子模块和电子元件的功率各异。对单个冷板上电子模块和元件的布置散热时的流体流动布置,亦应遵循上述串、并连设计原则。例如,一个液冷冷板上布置有七个电子模块,各模块的功率与其和冷板间的接触面积不同,当它们统一地串连连接冷却时,如图3所示。


    7个模块总体串连连接,局部并连连接冷却时,如图4所示:


    1.结论

    间接液冷方式已逐渐成为解决电子设备过热问题的主要方式。当液冷系统中多个冷板共同工作时,应特别注意各个冷板的串连与并连的热总线设计,按串、并连指导性定律进行设计计算,并根据计算结果选择使用合适的液冷泵。

     

    参考文献:

    [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


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