电子设备热设计第四讲

冷板设计

ColdPlates高红霞gaohongxia@82338952新主楼C座1006室冷板（ColdPlates）定义冷板是一种单流体的热交换器，经常用作电子设备的底座，它通过空气、水或其它冷剂在通道中的强迫对流，带走安装在其上电子设备或元器件的耗散热。飞行器中的应用高效肋片的使用在功率密度高、体积和重量受到严格限制的场合使用有优势冷板（ColdPlates）特点一般采用高导热系数材料制成，只要元器件适当放置，可使冷板表面接近等温，能带走较大的集中热载荷。制冷剂通过间壁吸收电子元器件的耗散热，由于两者不直接接触，故可避免制冷剂对电子元器件的污染。由于冷板采用间接冷却方式，故可采用一些介电性能不好但是传热性能优良的冷剂，如水，从而可提高冷板冷却效率。冷板通道的当量直径较小，通道可布置各种高效肋片，故冷板表面传热系数高。冷板（ColdPlate）的结构类型和选用气冷式冷板空气为介质冷板通道内一般都要采用增强对流换热的各种肋表面适用功率密度可达1.5W/cm2

热量均匀分布的中、小功率器件液冷式冷板水、乙二醇等液体作为冷却介质适用功率密度约为5W/cm2高功率密度器件根据设备或元器件的热流密度、热源的分布状况（集中、均布、非均布）、许用温度、许用压降及工作环境条件等因素综合考虑。典型气冷冷板结构常用气冷冷板肋片形式当量直径小，有利于增强传热层流边界层破坏，换热能力提高靠孔区的紊流提高换热系数波形通道形成二次流动增强换热气冷冷板肋片选择最高工作压力、传热能力、允许压力降、流体性能、流量和有无相变等因素的综合考虑气流速度宜在1～4m/s范围内肋片的高度和厚度根据传热系数的大小确定

传热系数较大，用低而厚的肋片传热系数小，选用高而薄的肋片肋片的形状根据流体的性能和设计使用的条件选定高温流体和低温流体之间温差较大的情况，宜选用平直肋片温差较小的情况，宜选用锯齿肋片气冷冷板传热表面的几何特性当量直径肋片面积比孔度气冷冷板传热表面的传热和阻力特性传热和阻力特性的经验关系式（Nu或j、f）充分发展的层流流动充分发展的湍流流动过渡区域的层流流动正在发展的层流流动扩展表面的试验数据和关系式强迫液体流动的基本方程气冷冷板的压力损失冷板的压降冷板进口的压力损失出口的压力回升通道内的压力损失气冷冷板传热计算中的基本参数和方程与外界的对流换热量制冷剂吸收的热量热量平衡冷板的传热单元数冷板表面温度冷板热效率NTUmethod气冷冷板的设计计算——校核性对已有冷板装置的散热能力进行核算或变工况计算冷板上的热负载是属于均温分布，即冷板等温冷板材料的导热系数极高用热管模拟冷凝器已知条件：冷板结构、散热量，以及制冷剂入口参数定性温度——平均膜温传热参数计算压降计算冷板表面温度和压降校核（改变制冷剂流量）冷板的设计计算——设计性根据给定的工作条件及耗散热量，确定冷板所需的传热面积，进而决定冷板的结构尺寸

试凑和迭代的方法

冷板上的热负载是属于均温分布预设冷板结构同校核性计算过程有些结构尺寸是互相关联的Atrial-and-errormethod

Ratingmethod冷板的非均温性对于薄面板的冷板，冷板表面温度往往不一致实际的对数平均温差降低导致需要较大一些的NTU才能实现同样的冷板表面温度需用换热器的计算方式液冷冷板液冷冷板LiquidinflowLiquidoutflowPowerDevices(attachedonbothsides)Icepakcoldplatemodel液冷冷板LiquidinflowLiquidoutflowTubesIcepakcoldplatemodel液冷冷板液冷冷板系统铜、铝和不锈钢板材圆、方形通道液体冷却系统用泵系统总压力损失摩擦压降，它由液体的速度和管内的表面粗糙度决定高度差压降由弯头、三通和过渡段等附件引起的压降利用各种附件（如弯头、三通等）的等效管长齿轮泵往复式泵离心泵安全装置

液体制冷剂去离子蒸馏水未经处理的水不能用于铝制冷板未经处理的水可用于铜制和不锈钢制冷板乙二醇水溶液（使用温度范围扩大）硅油含氟化合物介电制冷剂（PAO－PolyAlphaOlefin）例题：水冷冷板性能计算晶体管16个每个发热量37.5W总功耗600W冷却水流量62.8g/s进口温度35℃安装表面最高温度71℃螺栓安装接触面上使用硅脂，接触热阻0.3K/W校核晶体管表面温度计算系统压降LFTLiquidFlowThroughDevinW.Hersey.ThinLiquidFlow-ThroughCorewithMachinedFlowChannels.20thIEEESEMI-THERM,p213-22060×64×7.8mm3水力直径分别为3，1.5，1mmMing-ChangLu,etal.NumericalStudyofFlowMal-distributionontheFlowandHeatTransferforMulti-channelCold-Plates.20thIEEESEMI-THERMSymposium,p205-212HybridCoolingClosedLoopLiquidCoolingAclosedloopliquidcoolingsolution.Themoduleatthelowerlefte