水冷散热技术

完整的闭式循环水冷系统
水冷散热系统构成


膨胀罐的作用
平衡压力 补充介质 调整背压
水冷散热系统构成

水泵的工作曲线
水冷散热系统构成


双回路循环系统
液-液式换热器、冷水机
主要内容

水冷散热简介 水冷散热器设计与加工 冷却介质 换热器设计 整机设计 腐蚀与预防 实例讲解
冷却介质


防冻液
防冻剂种类很多，CaCl2、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三 醇（甘油）、润滑油均可做防冻液的母液。 乙醇水溶液：
乙醇沸点78.3℃，冰点是-114℃。 优点：可与水以任何比例组合， 乙醇含量越高，冰点越低 缺点：乙醇易燃易挥发，含量超 过40%时，易产生蒸汽而 着火。含量不宜超过40%， 冰点限制在-30℃左右。
芳香类（如乙二基苯等EDB) 硅酸盐酯(Coolanol 25R) 脂肪族类(PAO) 硅树脂(硅油) 碳化合物(Fc-77) 乙烯乙二醇/水(50:50 V/V) 丙乙烯乙二醇/水(50:50 V/V) 甲醇/水(40:60 Wt/wt) 乙醇/水(44:56 Wt/wt) 甲酸钙/水(40:60 Wt/wt) 液态金属(Ga-In-Sn) 纯水
排气需要 可加工性
水冷散热器设计与加工
流量பைடு நூலகம்定

能量守恒方程 流量
Q cPVT

V Q / cP T

根据环境条件确定工质，获得密度和比热容 由经济性考虑，设定工质温升 根据总的发热量，确定流量
水冷散热器设计与加工

管道截面形式
水冷散热器设计与加工

对水冷散热器的热阻网络分析
简称FSW，于1991年有英国焊接研究所（TWI）发明。 原理： 利用带有特殊形状的硬质搅拌头旋转着插入被焊接 体，与被焊金属摩擦生热，通过搅拌摩擦，使接头金属 处于塑性状态，搅拌指棒旋 转边沿着焊接方向向前移动， 在热机联合作用下实现材料 的连接
水冷散热器设计与加工

搅拌摩擦焊
焊接前无需表面去膜，焊接中无需其他保护 可提高铝合金接头强度 无气孔 较小焊接变形 无需其他材质焊料 焊缝宽度限制 被焊接零件需要一定结构刚性固定 焊缝末端有“匙孔”

对系统没有腐蚀性 无污染、环保、无毒 价格低廉
Tips：部分场合对于绝缘 有要求
冷却介质


技术要求
对固体颗粒的要求：
避免0.3mm以上颗粒进入循环系统 建议加过滤器

缓蚀剂
减缓电化学腐蚀

对结冰的预防
北方地区
冷却介质

常见冷却工质
凝固点 ℃ 闪点 ℃ 57 >175 >175 46 29 27 None None None 粘度 kg/m.s 0.001 0.009 0.009 0.0014 0.00119 0.0038 0.0064 0.002 0.003 0.0022 0.0022 0.00086 导热系数 w/m.k 0.14 0.132 0.1372 0.11 0.06 0.37 0．36 0.4 0.38 0.53 39 0.614 比热 J/kg.k 1700 1750 2150 1600 1100 3285 3400 3560 3500 3200 3656363 4179 995.8 密度 kg/m3 860 900 770 850 1800 1087 1062 935 927 1250 不绝缘 导电性能 绝缘 <-80 <-50 <-50 <-110 <-100 -37.8 -35 －40 -35 －35 －10 0
水冷散热技术
Johnson
讲师介绍
Johnson
工程热物理硕士 多年工作经验、曾就职于GE,EMERSON,华为等 企业 设计产品涵盖风电、光伏、户外柜、变频器、 UPS、通讯电源等 丰富的液体冷却设计经验
主要内容

水冷散热简介 水冷散热器设计与加工 冷却介质 换热器设计 整机设计 腐蚀与预防 实例讲解
水冷散热简介

冷却方法的选择
水冷散热简介
水冷散热的优点

强大的载热能力 热量定向移动 静音环保，密封防尘 实时监测，使用安全 使用灵活，分离式散热 适用于高功率密度场合，热流密度大，热阻小
水冷散热简介
水冷散热的缺点

冷却成本高（相对于风冷） 冷却系统的可靠性低 受环境条件的限制
缺点：

优点：

质量和尺寸较小 保证流量的条件下，散 热能力强，热阻小


微通道尺寸小，对防粉尘颗 粒要求高； 无法预留螺钉孔，器件安装 困难 流动阻力比较大
常见水冷散热器形式

铣槽式(Milled channels Cold Plates)
缺点：

优点

流道设计灵活 可以通过流道设计平衡 流阻和热阻
水冷散热器检验

流动阻力测试
主要内容

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冷却介质


基本要求
良好的热物理性能，k、ρ、cP； 物理稳定性
低凝固点、 高沸点或工作温度下较低的蒸发压力

化学稳定性
自身稳定性，不易分解 高闪点和自燃温度
水冷散热简介
为什么要用水冷？

功率越来越大 体积越来越小 风冷的局限性
功率密度越来越大
水冷散热简介

水与空气的物性参数对比（50℃） 水 988 4.174 0.648 0.556 3.54 空气 1.093 1.005 0.0283 17.95 0.698
物性参数 密度(kg/m3) 比热容(kJ/(kg·K)) 导热系数(W/(m·K)) 运动粘度(×10-6m2/s) 普朗特数
优点：

缺点：

流道可以灵活设计 器件安装位置不受限制 适合大批量生产 盲孔，器件安装位置灵活
器件在厚铝板一侧，热阻大 散热器开盲孔，比较厚，重 焊接层不致密，存在泄漏风 险，且不易检漏
常见水冷散热器形式

普通嵌管式 (General Tube Liquid Cold Plates)
Q0
Q1
Qi
Q0、P0、V0
P1
V1
P2
V2
Pi
Vi
水冷散热器设计与加工


功率器件的建模
铜基板、DBC按照实际尺寸 各发热元件独立建模，损耗拆分
水冷散热器设计与加工


水冷散热器的建模
实际结构：铣槽板、盖板、管接头 建模：基体开槽、左右导流罩、管接头和堵块
水冷散热器设计与加工

物性参数的设置
水冷散热简介
技术原理


冷却工质在泵的驱动下，通过LCS管路，把热量从 液冷散热器转移到环境，从而实现散热目的。 工质通常为纯水 为防冻，采用乙（丙）二醇水溶液 绝缘要求，去离子水，或变压器油。
水冷散热系统构成
传统开放式液冷系统

构成：散热器、换热器、水泵、蓄水池或连水龙头上 优点：系统压力小，泄露风险小，组成灵活， 缺点：蓄水池使液冷系统得体积增大， 同时需要监控管路中水的流量
优点：

缺点

水冷散热器设计与加工

钎焊
原理：利用熔点比母材熔点低的 钎料，在低于母材熔点，高于钎 料熔点的温度，利用液态钎料在 母材表面润湿、铺展和填缝实现 零件间连接的焊接方法。 分类：钎料液相线温度高于450 ℃所进行的钎焊为硬钎 焊，低于450 ℃所进行的钎焊为软钎焊。
导热热阻分析
Rth cond
δ

kA
水冷散热器设计与加工


流道布局
芯片分布和螺钉避位 流道靠近热源芯片，与螺钉之间保持足够的距离 控制流速 工质对散热器的冲蚀作用 尽量降低流阻 通过管组的连接关系，降低流动阻力，减少泄露风险 可加工性 易于加工 排气考虑




水冷散热器设计与加工


管道的串联与并联
盲孔，安装器件位置受限 对焊接要求较高
水冷散热器设计与加工

步骤
流量确定
温升控制 （经济性）

基材选择

管道布局

详细设计
建模仿真 与优化

相容性；
螺钉避位 芯片位置 控制流速
同一系统 内避免出 现两种以 上金属 （不锈钢 除外）
工质选择
计算所需 流量
管道组合 关系的考量

串联
流量相等，阻力相加 并联 压力相同，流量相加

水冷散热器设计与加工

均流的考量
n i 1
n 1 2 2 2 2
Vn (Q 0 Q i ) / A
n 1 n 1 n 1 L vi vi L vi vi Pn P0 i P i i i 0 (4A / ) 0.5 2g i1 2g (4A / ) 0.5 i0 2g i1 2g i 0
水冷散热系统构成


半开放式液冷系统
半开放式液冷系统的冷却水不需要经过水槽，水槽的 作用是预存储一定量的冷却液，当循环系统因渗漏而 导致冷却液不足时，可以通过水槽补充冷却液。
水冷散热系统构成
闭式循环系统

构成：泵、换热器、散热器、管路 大功率电子设备（特别是对介质有较高要求时）采用
水冷散热系统构成
检验
外观检查 尺寸、孔位量测 平面度 粗糙度
水冷散热器检验


内部残留物
干净容器内， 水压 时长 更换另一端 观察颗粒大小和数量
g
水冷散热器检验


泄漏检测——气泡法
置于水中 工作压力 保持时长 无异响变形 压力表无变化
水冷散热器检验


泄漏检测——氦检
总漏率
罩 装有氦气的压力容器 被检件 漏孔 检漏仪
冷却介质


乙二醇水溶液
乙二醇：熔点-13.2℃。沸点197.85℃ 特点：在一定范围内，冰点随乙二醇含量的增加而降低，当乙二 醇体积含量达到68%是，溶液的冰点温度下降到-69℃，超过这个 限值时，冰点温度 反而会随乙二醇含 量的增加而升高。
缺点：

优点：

工艺简单，成本低 适用于大批量的生产 耐腐蚀，不易渗漏
管与板间的接触热阻较大 管的弯曲半径影响
常见水冷散热器形式

接触型嵌管式 (Hi-contact Tube Cold Plates)
缺点：

优点：

散热效率高，热阻小 适用于大批量的生产 耐腐蚀，不易渗漏



冷却介质


甘油水溶液
甘油：熔点17.8℃。沸点290.0℃（分解）。闪点（开杯）176℃ 优点：不易挥发和着火，对金属腐蚀小。 缺点：降低冰点的效 率低，配置同 一冰点的溶液 时，比乙醇、 乙二醇的用量 大，成本比较 高。
冷却介质


乙二醇水溶液
乙二醇（Ethylene glycol）：又称“甘醇”，“1,2-亚 乙基二醇”，简称EG。化学式为(HOCH2)2，是最简 单的二元醇。无色无臭、有甜味，粘稠的液体。 乙二醇对动物有毒性，LD50值(半数致死量)为 4700mg/kg，人类致死剂量约为1.6g/kg，应妥善 储存，防止被误食。
水冷散热器设计与加工

运算与收敛控制
水冷散热器设计与加工


仿真结果
边缘壳温不超过 80度
水冷散热器设计与加工


紧固方式
机械紧固+O型圈、或密封胶
可靠性差、橡胶老化、热胀冷缩

焊接（广泛应用）
搅拌摩擦焊 钎焊

镶嵌、粘合
嵌管式
水冷散热器设计与加工

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)
水冷散热器设计与加工
对流热阻分析
R th conv 1
c ( , ) f V d a b Pr kl D
水力直径
D=4A/x
A—— 截面积，x——湿周
比较截面积相同的长方形，正方形和圆形管道
D长< D正< D圆
水冷散热器设计与加工
铝和铝合金的软钎焊不常用，因为钎料与母材的成分及 电极电位相差很大，容易是接头产生电化学腐蚀
水冷散热器设计与加工

钎焊
可大面积焊接， 扩展表面式水冷散热器内鳍片可焊接
优点：

缺点

钎焊温度比较难以控制 需要破除氧化膜，不可事先阳极氧化 可能产生虚焊，气孔
水冷散热器检验


成本稍高 管的弯曲半径影响
常见水冷散热器形式

扩展表面式(Extended Surface Cold Plates )
缺点：

优点


传热面积大，换热系数高， 热阻小 适合大批量生产
流阻稍大 对焊接工艺要求高 成本高
常见水冷散热器形式

微通道型（Micro channel cold plate）
常见水冷散热器形式
钻孔式(Gun-drilled cold plate)
优点：

缺点：

加工简单 两侧均可安装器件 通过合理的设计，器件的 安装位置可不受限制
尺寸受限 管道直角相交，流阻大 只能圆截面、热阻稍大 易泄露
常见水冷散热器形式
常见水冷散热器形式
浮泡式(Blister liquid cold plate)