一种新型的液冷机箱及冷板散热系统的研究

一种新型的液冷机箱及冷板散热系统的研究

摘要：针对目前军用计算机数据处理系统集成化、高功率的发展趋势，液冷散热在数据处理系统热设计中的需求越来越必要。本文结合实际研究的项目，详细介绍了冷板、液冷机箱、液冷散热系统架构的设计模式、流道的设计及仿真分析、试验及测试验证等项目设计中的关键技术，形成一套具有高效散热的一体化解决方案。

【关键词】液冷散热液冷机箱冷板流道

1 引言

电子技术微型化、高集成度、大功率电子器件应用的发展趋势，使得电子设备要求体积越来越小，元器件数量增加，这就使得电子设备功率密度和热流密度大幅度提高，热量集中，局部温度过高，如果热量不能及时散出，就会导致电子设备性能下降甚至失效。

一般而言，温度每上升10℃，可靠度可能就会降低为原来的一半，而温度从75℃升高至125℃，可靠度则变为原来的20%。有效的热设计模式是对电子设备的发热元器件及散热系统采用合适的冷却技术和结构设计，对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常可靠地工作。

根据应用环境的不同，传统的风冷散热会带来多余物及

增大系统空间，而导冷式散热面对功率较大系统时则出现散热了瓶颈，而液冷散热技术的出现，由于液体介质比空气及常规散热铝材有更好的换热系数，使得液冷系统散热量级甚至为传统风冷式、导冷式散热的100倍以上。

2 散热系统的建立及组成

一般液冷系统的建立都是强制液冷、金属传导散热的结合，而一个完整的液冷系统而言，其主要由液冷机箱、液冷冷板及液冷提供系统组成，液冷冷板直接吸收发热模块的功耗，通过液冷机箱循环到液冷系统，将热量传递给液冷提供系统中的液泵，再经过液泵送至换热器，液冷换热器与外部环境热交换，对冷却液制冷并返回液冷机箱完成一个循环，而单考虑散热系统部分，液冷机箱及液冷冷板的设计成为了系统的关键。

图1所示为笔者研究的液冷散热系统，主要由冷板模块1～5、液冷机箱、流体连接器、信号传输连接器等组成。其中冷板模块用于对印制板电路单元机械支撑和对流换热的

作用；液冷机箱是整个散热系统的架构基础，也是整个散热系统中流道的枢纽；流体连接器是与液冷提供系统的接口，起着进液与出液的作用，要求在一定的管道流压下，无漏液现象。

3 冷板模块的设计

图2所示为所设计的冷板模块组成示意图，包括冷板、

楔形条、起拔器、后盖板、印制电路板、流体连接器。其中楔形条由三节式滑块、螺杆及螺套组成，用于冷板模块与机箱进行配合时由于滑块与机箱插槽产生摩擦防止冷板模块

产生晃动，同时也用于将印制板散发的热量通过滑块传递给机箱；起拔器用于冷板模块与机箱插槽配合的插拔；后盖板通过与冷板配合，将印制板夹住，通过螺钉固定，用于对印制电路板加固，也起着部分传导辐射散热的作用，也可作为屏蔽作用的屏蔽板；流体连接器用于与图3中的内流体连接器进行配合，从而将外部流体引入冷板流道循环，将印制电路板发热元件所产生的热量带走。

散热系统中发热源为冷板模块中的印制板单元，冷板作为印制板上各热耗单元的基础，即作为电子器件的安装基座，又作为一次换热载体，是液冷模块的核心，要求其结构简单紧凑，表面传热系统高，温度梯度小，均温性好，能有效降低热源温度。在冷板设计中考虑了以下几个因素：

（1）冷板与发热器件的接触面要平整光滑；

（2）冷板与发热器件要有一定的结合压紧力，尽量减

少接触热阻；

（3）流道的设计应尽量多经过冷板吸热面，即与发热

元件布局进行对应；

（4）流道应尽量采用短的长度尺度，流道全程流动均匀，有良好的导向性，以减少压损，流道自身应具有尽可能

大的换热面积，以提高对流换热系数；

（5）流道设计应考虑工艺性，便于焊接后的后续加工，加工流道畅通均匀，同时具有良好的气密性。

对于上述（1）、（2）条主要采取了在发热元件与冷板接触面采取导热硅脂为导热界面材料，考虑一定的装配压力从而降低其接触热阻，提高传热效率。

对于上述（3）、（4）条，见图3所示。由于冷板直接面对的是印制板上的发热器件，发热点较多且局部发热量较大，在流道设计时整体依旧采用蛇形流道，流道腔体内增加翅片，形成微通道冷板。对于流道弯道处，翅片进行了导流设计，对于直道处翅片成队列式排列，相邻队列形成交错式布局，流体进入流道时增强其紊流状态，增加紊流度的同时增加了对流换热系数，同时冷板流体连接器进出口与蛇形流道接口处采用梯度式的流道设计，对于进液口增加了流体紊流度，对于出液口加速流体流动，提高散热效率。

对于上述（5）条，微通道翅片宽度同换热性能密切相关，随着通道宽度尺寸的缩小，换热系数随之增大，因此尽量保证翅片强度情况下尽量缩小其宽度尺寸，翅片宽度设计为1mm；同时通道占空比对换热性能也有较大的影响，在冷板体积不变的情况下，微通道冷板中槽道的高宽比越大，则换热性能越好，翅片高度设计为5.5mm，通道间距为1.5mm 通道占空比为0.67，高宽比为5.5，以现有可实现工艺结构

形成最优的换热性能。

4 液冷机箱的设计

图4所示整个液冷机箱主要由盖板、左右侧板、前壁板、后壁板、底座支架、后IO面板、内流体连接器及外流体连接器组成。其中盖板、左右侧板均采用导热条的设计模式，将机箱内部环境部分热量进行传导式散热；前壁板及后壁板为机箱应用时与子板进行配合的机械固定板，同时也将冷板模块传导到机箱的热量进行对流换热的主要部件，设计时均采用了蛇形流道的设计模式；机箱的底座支架为整个液冷机箱的关键，起着架构机箱零部件的作用，同时也是将外流体连接器、前后壁板流道、内流体连接器形成一个循环流道的中转站及分支机构；后IO面板用于固定信号传输连接器。

对机箱前后壁板的流道设计，由于流道的结构和流道的弯曲部分对其散热和流道的流阻、压降有着直接的影响。流道的直道部分越长，流道的流阻就越小，流道的压降就越小；流道的弯道越多，散热性能越好，但流阻越大，压降也就越大；流道的截面积越大，散热性能越好，流阻越小，压降越小。在实际设计时采用了12个弯道，流道方向的改变增加了流体流动的扰动，增大了冷板表面的传热系数，在一定程度上改善了散热效果，同时保证了直道部分长度的较大比例，减小流道阻力，降低流道压降，同时也降低了工艺难度。同时对于液冷机箱的设计还考虑了如下几点要素：