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干货:电子设备的液体冷却(一)

 


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本文摘要:一、必要液体加热所谓必要液体加热,就是加热液体与痉挛的电子元器件必要认识展开传热。

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一、必要液体加热所谓必要液体加热,就是加热液体与痉挛的电子元器件必要认识展开传热。热源将热量传授给加热液体,再行由加热液体将热量传送过来。在这种情况下,加热液体的对流和冷却是热源风扇的主要方式。

1.痉挛的电子元器件必要浸泡加热液体(无冷却)1)无摇动的必要液体加热电子元器件装有在一个密封的机壳内,里面充以加热液体。这种装置的热传导途径是:痉挛元器件的热量通过液体的大自然对流及导电传授给液体,液体将吸取到的热量传授给机壳,最后由机壳将热量弥漫到周围介质中去。内部的电磁辐射换热可忽略不计。它与风冷比起,主要是减少了从元器件到周围介质的对流热阻,约可以减少一个数量级。

设计这种冷却系统时要留意下面几个问题:①所搭配的冷却液,其电气性能不应符合机箱内元器件之间的电气绝缘拒绝,其黏度尽可能较低,有利于液体的大自然对流,减少热传导热阻。②机壳要解决问题密封问题。

灌入加热液体后,机壳内部要尚存一定的间隙,以适应环境液体不受热膨胀的必须。③机壳要有充足的强度。④元器件的配备要不利于液体的大自然对流。

⑤设备的修理要便利。对重复使用用于的设备,可不用考虑到这个问题。2)有摇动的液体加热设备特摇动的目的是为了强化加热液体的对流换热,对黏性大的液体更加限于。使用这种加热方法时,必需考虑到下列可选因素:电机的尺寸、扭矩(流场将产生热)、摇动杆的叶片数、杆和叶片材料与液体的化学相容性等。

同时要留意机壳的密封性并确保其强度,也要尚存一定的热膨胀空间等。2.元器件或组件必要浸泡冷却液(有冷却)该冷却系统是将电子元器件或组件浸泡介电冷却液中,热量从痉挛体传至冷却液,再行传至机箱壁,预示着凝结和冷凝过程,产生较高的换热系数和小范围的大自然对流,限于于热流密度较高、低装配密度的器件和组件的加热,如大规模和超大规模集成电路的加热。此类冷却系统按产生蒸气的热传导过程可分成蒸气仍然循环和再循环两种形式。仍然循环系统加热介质的气化过程仍然可展开到给养容器(储液箱)内的液体耗尽为止,液体的沸点和元器件温度,可由调节蒸气压力来掌控。

再行循环系统的冷凝器可以放到机箱外,也可以放到机箱内部的蒸气空间内,还可以把冷凝器水龙头在加热介质中。此时,冷凝器表面主要用来使其周围的液体过冷,并使下降的气泡在流体中冷凝。

限于于风干(没有)加热的工作液的物性参数闻表格1。表格1风干冷却液的物性参数3.必要强制液体加热当热流密度多达3.1×10^3~4.65×10^3W/m2,或内部有较集中于的热源时,不应使用必要强制液体循环加热。图1右图为电子元器件几乎风干于冷却剂(如硅油、变压器油)中的强制冷却系统,一个高压泵被迫冷却剂流经电子元器件、印制板,当冷却剂吸取热量后,转入气-液热交换器被加热,再行由泵运送返系统中,构成一个循环。

收缩箱容许液体收缩,增加系统内的蒸气阻塞。图1为了防止冷却剂渗水、冷却和外界物质污染,必要液体冷却系统要设计成密封系统,而且应当采取措施,增大由液体温度增高而产生的压力。这些措施还包括:①在容器内填满部分空气(或惰性气体),利用气体的压缩性来补偿液体温度的增高而产生的体积收缩。容器的结构和密封性,不应适应环境内压升高的拒绝,避免元器件的损毁和产生永久性变形。

②将整个部件(不含冷却剂)冷却至预期的最低温度(装配件的工作温度),再对容器展开填满和密封。③不应确保冷却剂与热、电、化学和机械等多方面的相容性。

二、间接液体加热间接液体冷却系统的设计,主要不应确保热源与热沉之间有较好的导电通路,尽可能减少认识热阻。间接液体加热与必要液体加热比起有如下特点:①冷却剂不与电子元器件互为认识,增加对电子设备的污染;②可用于热传导性能较好的冷却剂,并在热阻抗和环境条件发生变化时,能展开温度调节;③修理便利、非常简单。

1.导电模块具备低装配密度的多芯片模块(MCM)的热量,用一般的加热技术(如风冷)已无法满足要求,尤其是对那些大型计算机的高性能微处理器更是如此。图2是IBM3081计算机中微处理器的导电模块结构示意图,导电模块包括多层陶瓷基板、118个芯片、导电活塞、读取弹簧、模块车顶、氦气和水冷冷板等,冷却液(水)与痉挛芯片不必要认识。

使用这种导电模块后,芯片的热流密度平均20W/cm2。图2实验证明,功耗为4W的芯片,当冻板水的入口温度为24℃时,芯片的表面温度有59℃。热传导路径上各个热阻的典型值分别描述如下:①芯片内热阻Rc。

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芯片表面的热流量是均匀分布的,其背面与活塞是点接触,热量大多不能通过接触点周围(即芯片中心区域)传至活塞,这就相等于有一个膨胀热阻。按有效地风扇半径r与芯片本身总有效地半径rc的比值来确认其Rc值。

本例Rc=0.43℃/W。②芯片到活塞的热阻Rc-p。它由接触点的导电热阻、电磁辐射热阻和对流热阻构成。

拒绝此热阻尽可能小,本例Rc-p=2.9℃/W。③活塞本身的热阻Rt。由芯片传到的热量大部分集中于在活塞的端部,然后再行蔓延到其他部位,这就构成一个蔓延热阻(或称作膨胀热阻),其值可以用圆锥体断面导电公式计算出来,得Rt=1.02℃/W。④从活塞到模块车顶的热阻Rp-h。

可利用两块伸延平面或类似于散热器的换热展开计算出来,其值大约为2.15℃/W。⑤模块车顶本身的热阻Rh。由罩壁热阻R1和罩盖热阻R2串联构成,如图3右图。

L1是车顶壁导电路径长度,L2是罩盖厚度,罩壁内径为dh,车顶的外侧长(正方形)为dc,kc和kh分别为罩壁、罩盖导电系数,则Rh为⑥模块的总热阻Rint。即上述各热阻之和,本例为8.08℃/W。

图3假设冻板水的温度为24℃,才可欲出有容许的仅次于芯片功耗值,即式中Δtj-c——结至外壳的温升;tj——节点温度;tf——水温度;Pm——模块的总功耗;Rest——外热阻(从罩盖至水冷冷板的热阻,本例大约为0.02~0.04℃/W);Pc——芯片功耗;Rint——模块内热阻。三、热交换器1.热交换器(换热器)的类型电子设备中常用的热交换器有下列几种:①列管间壁式。列管间壁式的结构是多种多样的,冻流体在管内流动,热流体在管外流动(或绕流),两种流体在壁面上展开传热。

根据管内外冻、热流体流向的有所不同,此类热交换器可分成顺流、逆流、叉流和来回流四种,如图4右图。图4②灵活式热交换器。灵活式热交换器可分成螺旋板式、肋管式、内肋片式和板翘式等几种,图5右图是电子设备中常用的两种结构形式。

板翘式热交换器的特点是传热系数低、结构紧凑、质量重和经济性好,但阻力较小。


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