电子第四讲-冷板设计-2010
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Symposium, p205-212
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
60×64×7.8
mm3 水力直径分别为3， 1.5，1 mm
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
Hybrid Cooling
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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
气冷冷板传热表面的几何特性 当量直径 肋片面积比 孔度
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
Closed Loop Liquid Cooling
A closed loop liquid cooling solution. The module at the lower left employs liquid jet impingement cooling. The module at the lower right uses spray cooling and represents an SGI Cray design [3].
冷板设计 Cold Plates
高红霞
gaohongxia@buaa.edu.cn 82338952 新主楼C座1006室
Copyright© 2008 BeiHang University
冷板（Cold Plates）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。
螺栓安装接触面上使用硅 脂，接触热阻0.3K/W
冷却水流量62.8g/s 进口温度35℃
安装表面最高温度71 ℃
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
LFT
Liquid
Flow Through
Devin W.Hersey. Thin Liquid Flow-Through Core with Machined Flow Channels. 20th IEEE SEMI-THERM, p213-220
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）
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
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
《电子设备热设计》
波形通道形成二次流动增强换热
Copyright© 2008 BeiHang University
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
•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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
冷板（Cold Plates）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。
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
谢谢！
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
A trial-and-error method Rating method
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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 tlm 计算方 式
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
Tubes
Liquid inflow
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板系统
铜、铝和不锈钢板材 圆、方形通道
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
冷板（Cold Plate）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1.5 W/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5 W/cm2 高功率密度器件
《电子设备热设计》
e NTU t 2 t1 ts NTU e 1
Copyright© 2008 BeiHang University
NTU method
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
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 Φ Atm0 制冷剂吸收的热量 Φ qmc p t2 t1 热量平衡 Atm0 qmc p t2 t1
冷板的传热单元数 A0 ts t1 NTU ln qmc p ts t2 冷板表面温度 ts NTU 1 e 冷板热效率
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
气冷冷板的压力损失
冷板的压降 p
冷板进口的压力损失
p1
出口的压力回升
p2
通道内的压力损失
pcf
p p1 pcf p2
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
Ming-Chang Lu, etal. Numerical Study of Flow Mal-
distribution on the Flow and Heat Transfer for Multi-channel Cold-Plates. 20th IEEE SEMI-THERM
wk.baidu.com
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－Poly
Alpha Olefin）
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
例题：水冷冷板性能计算
校核晶体管表面温度 计算系统压降
晶体管16个 每个发热量37.5W 总功耗600W
Liquid outflow
Power Devices (attached on both sides)
Liquid inflow
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
Icepak cold plate model
Liquid outflow
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
Icepak cold plate model
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。
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
典型气冷冷板结构
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
– 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
–
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
60×64×7.8
mm3 水力直径分别为3， 1.5，1 mm
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
Hybrid Cooling
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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
气冷冷板传热表面的几何特性 当量直径 肋片面积比 孔度
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
Closed Loop Liquid Cooling
A closed loop liquid cooling solution. The module at the lower left employs liquid jet impingement cooling. The module at the lower right uses spray cooling and represents an SGI Cray design [3].
冷板设计 Cold Plates
高红霞
gaohongxia@buaa.edu.cn 82338952 新主楼C座1006室
Copyright© 2008 BeiHang University
冷板（Cold Plates）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。
螺栓安装接触面上使用硅 脂，接触热阻0.3K/W
冷却水流量62.8g/s 进口温度35℃
安装表面最高温度71 ℃
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
LFT
Liquid
Flow Through
Devin W.Hersey. Thin Liquid Flow-Through Core with Machined Flow Channels. 20th IEEE SEMI-THERM, p213-220
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）
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
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
《电子设备热设计》
波形通道形成二次流动增强换热
Copyright© 2008 BeiHang University
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
•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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
冷板（Cold Plates）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。
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
谢谢！
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
A trial-and-error method Rating method
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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 tlm 计算方 式
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
Tubes
Liquid inflow
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板系统
铜、铝和不锈钢板材 圆、方形通道
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
冷板（Cold Plate）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1.5 W/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5 W/cm2 高功率密度器件
《电子设备热设计》
e NTU t 2 t1 ts NTU e 1
Copyright© 2008 BeiHang University
NTU method
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
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 Φ Atm0 制冷剂吸收的热量 Φ qmc p t2 t1 热量平衡 Atm0 qmc p t2 t1
冷板的传热单元数 A0 ts t1 NTU ln qmc p ts t2 冷板表面温度 ts NTU 1 e 冷板热效率
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
气冷冷板的压力损失
冷板的压降 p
冷板进口的压力损失
p1
出口的压力回升
p2
通道内的压力损失
pcf
p p1 pcf p2
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
Ming-Chang Lu, etal. Numerical Study of Flow Mal-
distribution on the Flow and Heat Transfer for Multi-channel Cold-Plates. 20th IEEE SEMI-THERM
wk.baidu.com
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－Poly
Alpha Olefin）
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
例题：水冷冷板性能计算
校核晶体管表面温度 计算系统压降
晶体管16个 每个发热量37.5W 总功耗600W
Liquid outflow
Power Devices (attached on both sides)
Liquid inflow
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
Icepak cold plate model
Liquid outflow
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
液冷冷板
Icepak cold plate model
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。
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
典型气冷冷板结构
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
– 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
–
《电子设备热设计》
Copyright© 2008 BeiHang University
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