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。
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°C，可靠度可能就会降低为原来的一半，而温度从75°C升高至125°C，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.散热系统的建立和组成
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图 1：散热系统的组成示意图
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：
（1）对于流体连接器，不仅要保证在连接状态下承受一定压力并严格密封，而且在对接、分离时也能快速自封，避免制冷液对电路板的污染；
（2）机箱插槽进行了导向设计，保证模块和底板之间、模块液冷接头和机箱液冷接头之间插拔的垂直度和可靠度；
（3）液冷机箱的设计考虑了配合公差，连接器插头及插座的对接、助拔器的有效固定、流体连接器有效对接及背板固定配合等；
（4）液冷机箱前后壁板直流道腔正好正对到导槽侧壁，方便冷板模块插入后传导到前后壁板导槽侧壁后进行对流换热。
5.流道的分析
图5所示为冷板与液冷机箱进行组装时示意图（隐藏了前壁板、右侧板及盖板），通过冷板模块的流体连接器与液冷机箱的内流体连接器进行配合，即可将整个散热系统的流道进行贯通，同时冷板模块上的信号传输连接器与液冷机箱内背板上的信号传输连接器进行配合，保证信号传输。
如图6所示液冷机箱底座支架示意图，整个散热系统的流道分为两个分支，具体如下：
（1）液冷机箱流道：外流体连接器(进)→进液口→1→前壁板蛇形流道→3→4→5→9→后壁板蛇形流道→10→出液口→外流体连接器(出)；
（2）冷板与机箱配合后的流道：外流体连接器(进)→进液口→1→前壁板蛇形流道→3→7→2→内流体连接器(进)→冷板流体连接器(进)→冷板蛇形微通道→冷板流体连接器(出)→内流体连接器(出)→6→8→出液口→外流体连接器(出)。
其中在3处出现两路主流分支，一路分支通过4腔体供液给后壁板流道，另一路分支通过7腔体供液给5块冷板。流过5块冷板的流体于8腔体汇合，流过后壁板的流体通过10开孔与8腔体内5块冷板的流体进行汇合，最后通过出液口及外流体连接器(出)流出，整个散热系统的流道分配示意图见图7所示。
6.热仿真验证
图8所示为散热系统的仿真流程图，在仿真时首先对单块冷板的散热能力进行了仿真，然后再对整个液冷系统进行仿真。仿真中设定流体为常物性，且为定常流动；忽略辐射和空气自然对流散热。边界条件设置如下：
（1）流动液体：水。
（2）液冷槽设计：S型流道带翅片。
（3）单块冷板热源总功率：200W。
（4）进液温度：20°C。
（5）环境温度：25°C。
（6）是否考虑重力影响：Y。
（7）进液口速度：5m/s。
由图9可知得到最高温度32.1°C，完全满足芯片工作温度的要求，而图10液冷系统在仿真时最高温度稍有上升，达到了45.1°C。后在多次仿真后总结出在相同条件下，由于整个液冷系统结构较为复杂，考虑了机箱与冷板的流道结合，系统会有相应的压力损失，从而影响其换热系数，后经过多次的参数及结构微调，得到本系统的最佳流速为6m/s，通过仿真最高温度达到37.6°C，与冷板仿真效果相当。
通过对液冷系统的仿真分析，在对流道的结构调整过程中发现如下特点：
（1）流道道宽度同换热性能息息相关，通道宽度越小，换热系数越大；
（2）微通道冷板中的通道占空比对换热性能影响较大；
（3）若不计冷板体积的影响，微通道冷板中槽道的高宽比越大，换热性能越好；
（4）在不显著增加加工难度的前提下，增大流道数目可有效提高冷板换热系数和效率。
在冷板及液冷机箱流道一定的情况下，换热性能还需要综合考虑流量、流体温度、流道宽度、环境温度等因素的影响。
7.测试及试验验证
在对液冷系统进行测试及试验前，需要对冷板及液冷机箱进行气密性检查，通过2.0MPa的耐压测试，证明了其设计的密封性和耐压实用性。图11所示为测试验证系统。液冷散热测试系统主要包括泵、换热器、散热器、储液罐和管道。主要工作过程为：冷却液经过增压泵升压后，经过液体管路，按照一定的压力和温度进入液冷机箱及液冷冷板，与电子设备进行热交换，带走电路板热量，冷却液从冷板出来后温度升高，然后进入换热器，与冷却空气进行换热，将热量传给冷却空气，换热器出来后的冷却液再进入储液罐，然后再经过泵进入下一个循环。而完整的测试系统不光是要考虑如何将冷却液循环起来，还得考虑温度环境的变化、
冷却液的温度、散热器的工作模式、冷板及机箱的流道压力、循环冷却液的流量等参数收集问题。因此在测试系统中增加了传感器的采集及信息收集功能，从而能够有效的对试验过程中的测试进行综合评价。
试验部分，通过了高低温工作、高低温贮存、随机振动、湿热、温度冲击、机械冲击等试验，得到所研究的液冷机箱及冷板散热系统的性能参数为：液冷系统流量≤1.5L/min，总耗散功率超过1000W，工作环境温度为-45°C～+85°C，耐压值≤2.5MPa。通过上述的测试及试验分析，得出了以下的规律总结：
（1）环境温度对液冷系统影响较小，在供液温度及流量一定的情况下，外界环境的变化对内部温度结构体温度变化影响不大，但随着印制板模块整体功率增大时模块对外辐射换热增强，温差会有所增高；
（2）冷却液入口温度对印制板模块器件温度有着直接影响，器件温度与冷却液温度变化基本一致；
（3）液冷系统对于流量十分敏感，对流量变化响应很快；
（4）在环境温度变化而流体温度保持不变时，只需相应增加流量；
（5）在流体温度保持不变，由于液冷系统中环境温度变大会使得流体带出的热量增大，导致高温时的热阻较低温时高；
（6）在外界环境较为恶劣时，液冷系统可将温度控制在比较低的范围，且响应速度比较快，充分体现了液冷的优势。
8.结论
通过上述结合实际项目对液冷机箱及冷板的结构设计、整体架构、流道分析、仿真热分析，逐步的说明了液冷散热系统的组成及散热特点，同时通过了相应的测试及试验得出系统参数的设计验证，充分说明了采用液冷式散热系统的优势，具有很好的应用前景。
本文来源：电子技术
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