液体冷却与冷板技术

电子设备热设计第四篇液体冷却与冷板技术1液体冷却直接液冷间接液冷浸没、无搅动、无蒸发浸没、有搅动、有蒸发冷板(单流体热交换器)强迫液冷液冷分类(泵、热交换器、流体、通道)FC–88C51–12R113FC–78FC–77FC–75常用冷却液2冷却液性质直接浸没液的物性参数沸点/℃汽化热/J·g–1密度/g·cm–3导热系数/W·m–1.℃–1比热/J·g–1.℃–1粘度/m2·s–1表面张力/N·m–1介电常数体积热膨胀系数/℃–1热特性及热稳定性介电特性化学稳定性安全性(自燃)冷却液的品质因数、准则因数冷却液的防冻（60％乙二醇＋40％水，－40℃不冻）3冷却剂的品质因数及准则因数——冷却剂密度(kg/m3)；k——导热系数(W/m·℃)；CP——比热(J/kg·℃)；

——体积膨胀系数(1/℃)；——动力粘度(kg/m·℃)

自然对流(104≤Gr≤108)

强迫对流，小雷诺数，层流状态

强迫对流，Re106的紊流状态

4常用冷却剂的物理性质5间接液冷例析—芯片组导热模块20W/cm2

24℃冷却水入口温度芯片表面温度59℃

6液冷示例7笔记本液冷示例8强迫液冷系统的组成冷却液、液流管道、泵、换热器、系统控制保护装置一次水(热流体)二次水(冷流体)9液冷系统实物图10热交换器列管间壁式紧凑式冷板真空钎焊技术11几种常见热交换器12热交换器设计-------两种流体、三个方程、四种温度热流体的热平衡方程

冷流体的热平衡方程

系统换热方程

——热流体和冷流体的质量流量(kg/s)；——比热(J/kg)；——分别为热、冷流体进口和出口温度(℃)；——热交换器的传热系数(W/m2·℃)；——传热面积(m2)；——对数平均温差(℃)。KA13对数平均温差——入口处的温差(顺流)；——出口处的温差(顺流)。

其他流动组合，参考相关修正系数14对数平均温差法的计算步骤根据已知条件，由热平衡方程式求出另一个未知温度；

由冷、热流体的四个进出口温度，求出对数平均温差若是叉流、混合流形式，则要注意修正系数的计算；

初步布置换热面，并计算相应的传热系数；

由系统传热方程式，求出所需之换热面积A，并核算两侧流体的流动阻力；

若流动阻力过大，则应重新进行设计。15有效度()

传热单元数(NTU)

流体之间平均温差为1℃时的换热量与最小热容量的流体在温度变化1℃时的换热之比，即

热交换器中实际换热量与最大可能换热量(温差最大)之比值

当已知时，可根据两种流体的进口温度计算热交换器的换热量热交换器的-NTU

计算方法16热交换器的-NTU

计算方法

计算传热系数K；

计算NTU及值；

计算或查相应图表得值；

计算传热量；

利用热平衡方程式计算和。采用-NTU法对热交换器进行校核计算的步骤：17液冷系统的设计选择冷却液体，确定冷却液体(一次)的流量和流速

确定其热交换器的形式

20kW以上水–水热交换器，小于20kW

水–空气热交换器。确定热流体和冷流体的温差

根据二次冷却液体的温差，由热平衡方程式确定其流量

确定冷流体在换热器中的换热系数确定热交换器的KA值，选择符合KA值的热交换器

计算系统的阻力损失，结合流量选择泵及其电机

冷却阳极块水套的设计18气冷式冷板概述冷板是一种单流体热交换器，具有较大的换热面积(肋),流体通道的当量直径较小,换热系数较高。15.545

液冷式19冷板实例16个晶体管用螺栓直接安装在水冷冷板上，每个晶体管的功耗为37.5 W，总功耗为600 W。已知水的入口温度为35 ℃，水的流量为6.3×10–5 ，冷却水管道内径为8 mm，试计算晶体管管壳表面温度。

20冷板的设计与计算H——对流换热系数(W/m2·℃)；——冷板总效率；A——参与对流换热的面积(m2)；tm——对数平均温差(℃)；——冷却剂质量流量(kg/s)；Cp——冷却剂定压比热(J/kg·℃)；——冷却剂入口温度(℃)；——冷却剂出口温度(℃)。均温冷板温度曲线对数平均温差

21冷板的设计与计算冷板的换热系数

h——冷板的换热系数(W/m2·℃)；J——考尔本数，根据肋片的结构形式，可查图；G——单位面积的质量流量(kg/s·m2)；Cp——冷却剂的定压比热(J/kg·℃)；Pr——普朗特数。式中

c——盖板的效率；f——肋片的效率；b——底板的效率。冷板的总效率传热单元数GB-T-15423-A

1988年发布22冷板的校核计算已知条件：冷板的结构尺寸、肋片参数、冷却剂流量、

通道当量直径和通道截面积以及总换热面积A等

23冷却剂压力损失计算24冷板结构示例25冷板结构示例26微通道冷板27冷板结构示例28冷板结构示例29液冷系统的其他问题系统的监控温度、流量、压力、热参数、安全报警系统等二次冷却液(外循环水)的防凝露结构设计中避免冷却液积聚选材(防腐)

灌封提高冷却水的出口温度。30电子设备热设计相变冷却31相变冷却相变冷却的材料利用石蜡族(CnH2n+2)材料升华过程中所需要的熔解热达到吸收电子器件耗热的目的。直接浸没式相变冷却(消耗性与非消耗性)间接式相变冷却(与发热器件不直接接触）汽水两相流冷却系统相变材料的发展与应用本质—利用各种物质的相态改变，伴随能量的释放和吸收。分类32相变材料根据电子器件控制温度的需要，选择不同熔点的相变材料。相变材料可分为挥发式、回收式两种。可逆式储热冷板

美国早期的阿波罗15＃月球车采用了等相变材料。熔点：66℃熔点：28℃熔点：37℃33相变冷却的关键技术沸腾冷却剂的选用(高导热、电绝缘)

浸没式冷却系统中，合理设计器件表面形状，有利于形成紊流，并防止形成蒸汽膜层。凝汽器(热交换器)的设计压力效应与温度控制问题(汽化热，表面张力)34蒸发冷却——加热面处水的温度(℃)；——水的饱和温度(℃)。

汽化

蒸发仅在液体自由表面上进行、在各种温度都能发生

沸腾不仅在液面，在液体内部同时进行，与过热温度有关的汽化

核态沸腾，膜态沸腾水沸腾时，热流密度、换热系数h与温差的关系

35蒸发冷却的应用

几种常见的浸没式蒸发冷却形式

36蒸发冷却系统的组成蒸发冷却系统的组成

不同冷却方式下的电子管阳极结构

37发射管与蒸发锅发射管与蒸发锅的配合形式

蒸发冷却发射管的阳极结构

38电子设备热设计制冷与恒温技术概述39制冷综述一

冷和热是物质分子运动平均动能的标征。日常生活中常说的“热”或“冷”是指温度高低的相对概念，是人体对温度高低感觉的反应。

在制冷技术中所说的冷，是指某空间内物体的温度低于周围环境介质（如水或空气）温度而言。因此“制冷”就是使某一空间内物体的温度低于周围环境介质的温度，并连续维持这样一个温度的过程。制冷的方法很多，可分为物理方法和化学方法。但绝大多数为物理方法。目前人工制冷的方法主要有相变制冷、压缩制冷和半导体制冷三种。40图1制冷机的能量转换关系

(a)以电能或机械能驱动的制冷机(b)以热能驱动的制冷机图例412.2.2相变制冷

物质相变制冷是利用液体在低温下的蒸发过程及固体在低温下的熔化或升华过程向被冷却物体吸收热量---即制冷量。因此，相变制冷分为液体气化制冷与固体熔化与升华制冷，如冰融化时要吸取80kcal/kg的熔解热；氨在１标准大气压下气化时要吸取327kcal/kg的气化潜热；干冰在１标准大气压下升华要吸取137kcal/kg的热量，其升华温度为－78.9℃。目前干冰制冷常被用在人工降雨和医疗上。

42压缩制冷气体绝热膨胀制冷利用气体通过节流阀或膨胀机绝热膨胀时，对外输出膨胀功，同时温度降低，达到制冷的目的。

蒸汽压缩式制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器组成，用管道将它们连接成一个密封系统。制冷剂液体在蒸发器内以低温与被冷却对象发生热交换，吸收被冷却对象的热量并气化，产生的低压蒸汽被压缩机吸入，经压缩后以高压排出。压缩机排出的高压气态制冷剂进冷凝器，被常温的冷却水或空气冷却，凝结成高压液体。高压液体流经膨胀阀时节流，变成低压低温的气液两相混合物，进入蒸发器，其中的液态制冷剂在蒸发器中蒸发制冷，产生的低压蒸汽再次被压缩机吸入。如此周而复始，不断循环。432.3恒温技术热隔离技术

控温技术主要是为了保持晶体振荡器的高稳定度(例如：通讯机中的晶振的稳定频率为10－12)而采取的措施。关键技术是提供一套精确的控制系统(含电路)44习题

肋管式热交换器，加热流量为2.36 的空气，使其温度从15.5 ℃升至29.4 ℃，热水的进口温度为82.2