液体冷却与冷板技术
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16
热交换器的-NTU 计算方法
采用-NTU法对热交换器进行校核计算 的步骤： 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；来自百度文库
利用热平衡方程式计算和。
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。
43
2.3 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 ℃，热交换 器的平均传热系数为227 W/(m2· ℃)，换热面积为9.29 m2。 试计算水的出口温度及传热量。 圆形磁控管的功耗为3.4 kW，其中85消耗在阳极块的 管壁上，15消耗在密封口处。拟用水冷，阳极壁温不得超 过80 ℃，水的平均温差为50 ℃，水的进、出口之间流动区 域的夹角为300°，冷却管道的平均直径为100 mm，管道 为矩形截面(宽5 mm，高20 mm)。试计算阳极块所需之冷 却水流量为多少？
45
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
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
热交换器的-NTU 计算方法
有效度()
t1 t1 t2 t1
t 2 热交换器中实际换热量 t2 t2 与最大可能换热量(温 t1
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。
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 C18 H 38
C20 H 42 等相变材料。
C30 H 62 熔点：66 ℃
C20 H 42 熔点：37 ℃
C18 H 38 熔点：28 ℃
确定热流体和冷流体的温差 t1 t 2
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
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。 15.5 45 103 W m 2
G2 ΔP 2 1
1 1 K c 1 2 2
A f A c
1 m
1 2 1 Ke 2
23
冷却剂压力损失计算
24
冷板结构示例
3
冷却剂的品质因数及准则因数
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
0.4 k 0.6Cp0.2 0.2 1 0.2
C p 2 0 .5
0.07
2.8
3
0.72C p
紊流：
P3 2 2.8 Cp
5
间接液冷例析—芯片组导热模块
20 W/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
列管间壁式
热交换器
真空钎焊技术
冷板
紧凑式
11
几种常见热交换器
传热单元数 冷板的总效率
NTU h0 A qm Cp
0
Ac A A c f f b b A A A
e
NTU
ts t1 ts t 2
式中 c——盖板的效率； f——肋片的效率； b——底板的效率。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 d cG Φ Re t qm C p
电子设备热设计
第四篇 液体冷却与冷板技术
液体冷却
浸没、无搅动、无蒸发
直接液冷 浸没、有搅动、有蒸发 强迫液冷 (泵、热交换器、流体、通道) 间接液冷 冷板(单流体热交换器)
液冷分类
常用冷却液
FC –88 C51– 12
R113
FC– 78
FC– 77
FC– 75
2
冷却液性质
直接浸没液的物性参数
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
图例
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
41
2.2.2 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80 kcal/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。
相变冷却
本质— 利用各种物质的相态改变，伴随能量的释放和吸收。
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 分类
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。
相变材料的发展与应用
气冷式
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
Φ h0 AΔ t m
对数平均温差
蒸发冷却 发射管的阳极结构
发射管与蒸发锅的配合形式
38
电子设备热设计
制冷与恒温技术概述
一
制冷综述
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。
差最大)之比值
t2 qm Cp min t1
传热单元数(NTU)
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
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
q
m
Cp min
NTU
KA q C m p min
tm t2 t1 t t ln s 1 ts t 2
Φ qmCp t2 t1
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)； t m——对数平均温差(℃)； q m——冷却剂质量流量(kg/s)； Cp——冷却剂定压比热(J/kg· ℃)； t 1——冷却剂入口温度(℃)； t 2——冷却剂出口温度(℃)。
12
热交换器设计-------两种流体、三个方程、四种温度 t1 Φ q m1C p1 t1 热流体的热平衡方程
冷流体的热平衡方程 系统换热方程
t2 Φ qm2Cp2 t2
Φ KAΔ t m
——热流体和冷流体的质量流量(kg/s)； ——比热(J/kg)； C C t1 t1 t 2 ——分别为热、冷流体进口和出口温度(℃)； t2 K ——热交换器的传热系数(W/m2· ℃)； A ——传热面积(m2)； t m ——对数平均温差(℃)。
均温冷板温度曲线
21
冷板的设计与计算
冷板的换热系数
h JGCp Pr2 3
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。
GB-T-15423-A 1988年发布
0.2
1 3
层流：
P2
1 2 2 Cp 2
2
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· ℃)
4
——冷却剂密度(kg/m3)；
常用冷却剂的物理性质
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
(汽化热，表面张力)
压力效应与温度控制问题
34
蒸发冷却
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
t t w t s
tw ts
——加热面处水的温度(℃)； ——水的饱和温度(℃)。
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
不同冷却方式下的电子管阳极结构
蒸发冷却系统的组成
37
发射管与蒸发锅
q m1 q m2
p1 p2
13
对数平均温差
t t tm t ——入口处的温差(顺流)； t t ——出口处的温差(顺流)。 ln t 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 t m 若是叉流、混合流形式，则要注意修正系数 t 的计算； 初步布置换热面，并计算相应的传热系数；
热特性及热稳定性 介电特性 化学稳定性
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
安全性(自燃)
冷却液的品质因数 、准则因数
体积热膨胀系数/℃–1
冷却液的防冻（60％乙二醇＋40％水， －40 ℃不冻 ）
热交换器的-NTU 计算方法
采用-NTU法对热交换器进行校核计算 的步骤： 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；来自百度文库
利用热平衡方程式计算和。
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。
43
2.3 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 ℃，热交换 器的平均传热系数为227 W/(m2· ℃)，换热面积为9.29 m2。 试计算水的出口温度及传热量。 圆形磁控管的功耗为3.4 kW，其中85消耗在阳极块的 管壁上，15消耗在密封口处。拟用水冷，阳极壁温不得超 过80 ℃，水的平均温差为50 ℃，水的进、出口之间流动区 域的夹角为300°，冷却管道的平均直径为100 mm，管道 为矩形截面(宽5 mm，高20 mm)。试计算阳极块所需之冷 却水流量为多少？
45
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
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
热交换器的-NTU 计算方法
有效度()
t1 t1 t2 t1
t 2 热交换器中实际换热量 t2 t2 与最大可能换热量(温 t1
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。
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 C18 H 38
C20 H 42 等相变材料。
C30 H 62 熔点：66 ℃
C20 H 42 熔点：37 ℃
C18 H 38 熔点：28 ℃
确定热流体和冷流体的温差 t1 t 2
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
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。 15.5 45 103 W m 2
G2 ΔP 2 1
1 1 K c 1 2 2
A f A c
1 m
1 2 1 Ke 2
23
冷却剂压力损失计算
24
冷板结构示例
3
冷却剂的品质因数及准则因数
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
0.4 k 0.6Cp0.2 0.2 1 0.2
C p 2 0 .5
0.07
2.8
3
0.72C p
紊流：
P3 2 2.8 Cp
5
间接液冷例析—芯片组导热模块
20 W/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
列管间壁式
热交换器
真空钎焊技术
冷板
紧凑式
11
几种常见热交换器
传热单元数 冷板的总效率
NTU h0 A qm Cp
0
Ac A A c f f b b A A A
e
NTU
ts t1 ts t 2
式中 c——盖板的效率； f——肋片的效率； b——底板的效率。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 d cG Φ Re t qm C p
电子设备热设计
第四篇 液体冷却与冷板技术
液体冷却
浸没、无搅动、无蒸发
直接液冷 浸没、有搅动、有蒸发 强迫液冷 (泵、热交换器、流体、通道) 间接液冷 冷板(单流体热交换器)
液冷分类
常用冷却液
FC –88 C51– 12
R113
FC– 78
FC– 77
FC– 75
2
冷却液性质
直接浸没液的物性参数
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
图例
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
41
2.2.2 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80 kcal/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。
相变冷却
本质— 利用各种物质的相态改变，伴随能量的释放和吸收。
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 分类
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。
相变材料的发展与应用
气冷式
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
Φ h0 AΔ t m
对数平均温差
蒸发冷却 发射管的阳极结构
发射管与蒸发锅的配合形式
38
电子设备热设计
制冷与恒温技术概述
一
制冷综述
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。
差最大)之比值
t2 qm Cp min t1
传热单元数(NTU)
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
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
q
m
Cp min
NTU
KA q C m p min
tm t2 t1 t t ln s 1 ts t 2
Φ qmCp t2 t1
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)； t m——对数平均温差(℃)； q m——冷却剂质量流量(kg/s)； Cp——冷却剂定压比热(J/kg· ℃)； t 1——冷却剂入口温度(℃)； t 2——冷却剂出口温度(℃)。
12
热交换器设计-------两种流体、三个方程、四种温度 t1 Φ q m1C p1 t1 热流体的热平衡方程
冷流体的热平衡方程 系统换热方程
t2 Φ qm2Cp2 t2
Φ KAΔ t m
——热流体和冷流体的质量流量(kg/s)； ——比热(J/kg)； C C t1 t1 t 2 ——分别为热、冷流体进口和出口温度(℃)； t2 K ——热交换器的传热系数(W/m2· ℃)； A ——传热面积(m2)； t m ——对数平均温差(℃)。
均温冷板温度曲线
21
冷板的设计与计算
冷板的换热系数
h JGCp Pr2 3
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。
GB-T-15423-A 1988年发布
0.2
1 3
层流：
P2
1 2 2 Cp 2
2
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· ℃)
4
——冷却剂密度(kg/m3)；
常用冷却剂的物理性质
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
(汽化热，表面张力)
压力效应与温度控制问题
34
蒸发冷却
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
t t w t s
tw ts
——加热面处水的温度(℃)； ——水的饱和温度(℃)。
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
不同冷却方式下的电子管阳极结构
蒸发冷却系统的组成
37
发射管与蒸发锅
q m1 q m2
p1 p2
13
对数平均温差
t t tm t ——入口处的温差(顺流)； t t ——出口处的温差(顺流)。 ln t 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 t m 若是叉流、混合流形式，则要注意修正系数 t 的计算； 初步布置换热面，并计算相应的传热系数；
热特性及热稳定性 介电特性 化学稳定性
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
安全性(自燃)
冷却液的品质因数 、准则因数
体积热膨胀系数/℃–1
冷却液的防冻（60％乙二醇＋40％水， －40 ℃不冻 ）