一種組件冷板散熱設(shè)計(jì)

航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司 袁 毛 陳偉亞

引言

冷板既是電子元器件的安裝板，又是電子元器件的熱交換器。冷板利用傳導(dǎo)散熱的方式，將電子元器件的熱量通過(guò)冷板傳給冷卻液，冷卻液流經(jīng)換熱器將熱量帶走。本文根據(jù)指標(biāo)要求從冷板設(shè)計(jì)思路、布局、熱設(shè)計(jì)三方面對(duì)冷板設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并給出了仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

1.主要技術(shù)指標(biāo)要求

冷板主要技術(shù)指標(biāo)為：散熱能力：660W；冷卻液：65#防凍液（GJB6100-2007）；冷板最大耐壓：1.5MPa；保壓時(shí)間5min；輸入口與輸出口采用自封接頭，TSC-5T/Z液冷連接器；環(huán)境溫度50℃，進(jìn)水溫度不高于60℃，電子元器件溫度≤90℃；冷板材料使用 GB/T3180-2008 鋁板6063（T6）。

2.設(shè)計(jì)思路

液冷冷板的設(shè)計(jì)主要是確定流道的尺寸。流道尺寸的確定因素主要包括：冷板上總的熱負(fù)載、單個(gè)器件的熱耗密度、系統(tǒng)提供的冷卻液流量、要求的器件表面溫度和冷卻液入口溫度等。

主要思路：根據(jù)熱耗密度和溫度等要求先確定所要求的換熱系數(shù)，根據(jù)換熱系數(shù)和系統(tǒng)提供的流量即可確定流道內(nèi)的流速和基本的流道截面尺寸。設(shè)計(jì)中充分利用冷卻的強(qiáng)化效應(yīng)，如采用傳統(tǒng)蛇形流道冷板提高流道內(nèi)的流速使冷卻液達(dá)到湍流狀況、使流道方向改變而增加流體的擾動(dòng)、采用入口段效應(yīng)等。

圖1 冷板器件布局

圖2 流道分布示意圖

3.布局

根據(jù)冷板最大換熱能力、器件布局、器件發(fā)熱功率等綜合考慮流道結(jié)構(gòu)和換熱面積的設(shè)計(jì)，冷板布局圖如圖1所示，流道分布示意圖如圖2所示。冷板流道截面為14mm×7mm，焊接方法采用攪拌摩擦焊。

4.熱設(shè)計(jì)

a）進(jìn)水溫度30℃時(shí)，冷板平均壁溫計(jì)算。

公式（1）為溫差計(jì)算公式：

式中，Δt為溫差，P為功耗，Cp為流體比熱容，ρ為流體密度，q為流量。

設(shè)功耗660W，流量6L/min，根據(jù)公式（1）有：Δt=1.82℃。

可得：出液溫度：31.82℃，平均溫度：30.91℃。

根據(jù)管內(nèi)換熱公式（2）：

當(dāng)量流道截面積f：14mm×7mm，管道通道長(zhǎng)度L：2565mm，濕潤(rùn)面積F：0.10773m2，定性溫度T：30.91℃，流體密度，流體運(yùn)動(dòng)粘度ν：4.6×10-6m2/s，導(dǎo)熱系數(shù)λ：0.343W/m.℃=0.2953kal/m.h.℃，普朗特?cái)?shù)Pr=48，直徑de=(4×14×7)/(2×(14+7))mm=9.3mm，流速w：1.02m/s，雷諾數(shù)Re=w*de/v=2062,計(jì)算可得Nuf=13.22。

b）進(jìn)水溫度60℃時(shí)，冷板平均壁溫計(jì)算

根據(jù)公式（1）有：Δt=1.73℃。

可得：出液溫度：61.73℃，平均溫度：60.87℃。

當(dāng)量流道截面積f：14mm×7mm，管道通道長(zhǎng)度L：2565mm，濕潤(rùn)面積F：0.10773m2，定性溫度T：60.87℃，流體密度，流體運(yùn)動(dòng)粘度ν：2.0×10-6m2/s，導(dǎo)熱系數(shù)λ：0.359W/m.℃=0.3095kal/m.h.℃，普朗特?cái)?shù)Pr=19.8，直徑de=(4×14×7)/(2×(14+7))mm=9.3mm，流速w：1.02m/s，雷諾數(shù)Re=w*de/v=4743。

根據(jù)管內(nèi)換熱公式（2）有：

5.結(jié)論

采用有限元軟件CFX對(duì)冷板的換熱能力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：

當(dāng)進(jìn)水溫度30℃，流量6L/min，出水口壓力0.1MPa，功耗660W時(shí)，仿真分析結(jié)果為最高水溫度32.2℃，冷板最高溫度42.3℃，進(jìn)水口壓力0.1084MPa。當(dāng)進(jìn)水溫度60℃，流量6L/min，出水口壓力0.1MPa，功耗660W時(shí)，仿真分析結(jié)果為最高水溫度61.9℃，冷板最高溫度70.2℃，進(jìn)水口壓力0.1076MPa。仿真計(jì)算結(jié)果表明此流道可以滿(mǎn)足電子元器件在進(jìn)水30℃時(shí)處于一個(gè)較佳的工作狀態(tài)和在進(jìn)水60℃溫度下最高溫度不大于85℃的要求。

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