液體冷卻與冷板技術

電子設備熱設計第四篇液體冷卻與冷板技術1液體冷卻直接液冷間接液冷浸沒、無攪動、無蒸發(fā)浸沒、有攪動、有蒸發(fā)冷板(單流體熱交換器)強迫液冷液冷分類(泵、熱交換器、流體、通道)FC–88C51–12R113FC–78FC–77FC–75常用冷卻液2冷卻液性質(zhì)直接浸沒液的物性參數(shù)沸點/℃汽化熱/J·g–1密度/g·cm–3導熱系數(shù)/W·m–1.℃–1比熱/J·g–1.℃–1粘度/m2·s–1表面張力/N·m–1介電常數(shù)體積熱膨脹系數(shù)/℃–1熱特性及熱穩(wěn)定性介電特性化學穩(wěn)定性安全性(自燃)冷卻液的品質(zhì)因數(shù)、準則因數(shù)冷卻液的防凍（60％乙二醇＋40％水，－40℃不凍）3冷卻劑的品質(zhì)因數(shù)及準則因數(shù)——冷卻劑密度(kg/m3)；k——導熱系數(shù)(W/m·℃)；CP——比熱(J/kg·℃)；

——體積膨脹系數(shù)(1/℃)；——動力粘度(kg/m·℃)

自然對流(104≤Gr≤108)

強迫對流，小雷諾數(shù)，層流狀態(tài)

強迫對流，Re106的紊流狀態(tài)

4常用冷卻劑的物理性質(zhì)5間接液冷例析—芯片組導熱模塊20W/cm2

24℃冷卻水入口溫度芯片表面溫度59℃

6液冷示例7筆記本液冷示例8強迫液冷系統(tǒng)的組成冷卻液、液流管道、泵、換熱器、系統(tǒng)控制保護裝置一次水(熱流體)二次水(冷流體)9液冷系統(tǒng)實物圖10熱交換器列管間壁式緊湊式冷板真空釬焊技術11幾種常見熱交換器12熱交換器設計-------兩種流體、三個方程、四種溫度熱流體的熱平衡方程

冷流體的熱平衡方程

系統(tǒng)換熱方程

——熱流體和冷流體的質(zhì)量流量(kg/s)；——比熱(J/kg)；——分別為熱、冷流體進口和出口溫度(℃)；——熱交換器的傳熱系數(shù)(W/m2·℃)；——傳熱面積(m2)；——對數(shù)平均溫差(℃)。KA13對數(shù)平均溫差——入口處的溫差(順流)；——出口處的溫差(順流)。

其他流動組合，參考相關修正系數(shù)14對數(shù)平均溫差法的計算步驟根據(jù)已知條件，由熱平衡方程式求出另一個未知溫度；

由冷、熱流體的四個進出口溫度，求出對數(shù)平均溫差若是叉流、混合流形式，則要注意修正系數(shù)的計算；

初步布置換熱面，并計算相應的傳熱系數(shù)；

由系統(tǒng)傳熱方程式，求出所需之換熱面積A，并核算兩側流體的流動阻力；

若流動阻力過大，則應重新進行設計。15有效度()

傳熱單元數(shù)(NTU)

流體之間平均溫差為1℃時的換熱量與最小熱容量的流體在溫度變化1℃時的換熱之比，即

熱交換器中實際換熱量與最大可能換熱量(溫差最大)之比值

當已知時，可根據(jù)兩種流體的進口溫度計算熱交換器的換熱量熱交換器的-NTU

計算方法16熱交換器的-NTU

計算方法

計算傳熱系數(shù)K；

計算NTU及值；

計算或查相應圖表得值；

計算傳熱量；

利用熱平衡方程式計算和。采用-NTU法對熱交換器進行校核計算的步驟：17液冷系統(tǒng)的設計選擇冷卻液體，確定冷卻液體(一次)的流量和流速

確定其熱交換器的形式

20kW以上水–水熱交換器，小于20kW

水–空氣熱交換器。確定熱流體和冷流體的溫差

根據(jù)二次冷卻液體的溫差，由熱平衡方程式確定其流量

確定冷流體在換熱器中的換熱系數(shù)確定熱交換器的KA值，選擇符合KA值的熱交換器

計算系統(tǒng)的阻力損失，結合流量選擇泵及其電機

冷卻陽極塊水套的設計18氣冷式冷板概述冷板是一種單流體熱交換器，具有較大的換熱面積(肋),流體通道的當量直徑較小,換熱系數(shù)較高。15.545

液冷式19冷板實例16個晶體管用螺栓直接安裝在水冷冷板上，每個晶體管的功耗為37.5?W，總功耗為600?W。已知水的入口溫度為35?℃，水的流量為6.3×10–5?，冷卻水管道內(nèi)徑為8?mm，試計算晶體管管殼表面溫度。

20冷板的設計與計算H——對流換熱系數(shù)(W/m2·℃)；——冷板總效率；A——參與對流換熱的面積(m2)；tm——對數(shù)平均溫差(℃)；——冷卻劑質(zhì)量流量(kg/s)；Cp——冷卻劑定壓比熱(J/kg·℃)；——冷卻劑入口溫度(℃)；——冷卻劑出口溫度(℃)。均溫冷板溫度曲線對數(shù)平均溫差

21冷板的設計與計算冷板的換熱系數(shù)

h——冷板的換熱系數(shù)(W/m2·℃)；J——考爾本數(shù)，根據(jù)肋片的結構形式，可查圖；G——單位面積的質(zhì)量流量(kg/s·m2)；Cp——冷卻劑的定壓比熱(J/kg·℃)；Pr——普朗特數(shù)。式中

c——蓋板的效率；f——肋片的效率；b——底板的效率。冷板的總效率傳熱單元數(shù)GB-T-15423-A

1988年發(fā)布22冷板的校核計算已知條件：冷板的結構尺寸、肋片參數(shù)、冷卻劑流量、

通道當量直徑和通道截面積以及總換熱面積A等

23冷卻劑壓力損失計算24冷板結構示例25冷板結構示例26微通道冷板27冷板結構示例28冷板結構示例29液冷系統(tǒng)的其他問題系統(tǒng)的監(jiān)控溫度、流量、壓力、熱參數(shù)、安全報警系統(tǒng)等二次冷卻液(外循環(huán)水)的防凝露結構設計中避免冷卻液積聚選材(防腐)

灌封提高冷卻水的出口溫度。30電子設備熱設計相變冷卻31相變冷卻相變冷卻的材料利用石蠟族(CnH2n+2)材料升華過程中所需要的熔解熱達到吸收電子器件耗熱的目的。直接浸沒式相變冷卻(消耗性與非消耗性)間接式相變冷卻(與發(fā)熱器件不直接接觸）汽水兩相流冷卻系統(tǒng)相變材料的發(fā)展與應用本質(zhì)—利用各種物質(zhì)的相態(tài)改變，伴隨能量的釋放和吸收。分類32相變材料根據(jù)電子器件控制溫度的需要，選擇不同熔點的相變材料。相變材料可分為揮發(fā)式、回收式兩種?？赡媸絻崂浒?/p>

美國早期的阿波羅15＃月球車采用了等相變材料。熔點：66℃熔點：28℃熔點：37℃33相變冷卻的關鍵技術沸騰冷卻劑的選用(高導熱、電絕緣)

浸沒式冷卻系統(tǒng)中，合理設計器件表面形狀，有利于形成紊流，并防止形成蒸汽膜層。凝汽器(熱交換器)的設計壓力效應與溫度控制問題(汽化熱，表面張力)34蒸發(fā)冷卻——加熱面處水的溫度(℃)；——水的飽和溫度(℃)。

汽化

蒸發(fā)僅在液體自由表面上進行、在各種溫度都能發(fā)生

沸騰不僅在液面，在液體內(nèi)部同時進行，與過熱溫度有關的汽化

核態(tài)沸騰，膜態(tài)沸騰水沸騰時，熱流密度、換熱系數(shù)h與溫差的關系

35蒸發(fā)冷卻的應用

幾種常見的浸沒式蒸發(fā)冷卻形式

36蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成

不同冷卻方式下的電子管陽極結構

37發(fā)射管與蒸發(fā)鍋發(fā)射管與蒸發(fā)鍋的配合形式

蒸發(fā)冷卻發(fā)射管的陽極結構

38電子設備熱設計制冷與恒溫技術概述39制冷綜述一

冷和熱是物質(zhì)分子運動平均動能的標征。日常生活中常說的“熱”或“冷”是指溫度高低的相對概念，是人體對溫度高低感覺的反應。

在制冷技術中所說的冷，是指某空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)（如水或空氣）溫度而言。因此“制冷”就是使某一空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度，并連續(xù)維持這樣一個溫度的過程。制冷的方法很多，可分為物理方法和化學方法。但絕大多數(shù)為物理方法。目前人工制冷的方法主要有相變制冷、壓縮制冷和半導體制冷三種。40圖1制冷機的能量轉(zhuǎn)換關系

(a)以電能或機械能驅(qū)動的制冷機(b)以熱能驅(qū)動的制冷機圖例412.2.2相變制冷

物質(zhì)相變制冷是利用液體在低溫下的蒸發(fā)過程及固體在低溫下的熔化或升華過程向被冷卻物體吸收熱量---即制冷量。因此，相變制冷分為液體氣化制冷與固體熔化與升華制冷，如冰融化時要吸取80kcal/kg的熔解熱；氨在１標準大氣壓下氣化時要吸取327kcal/kg的氣化潛熱；干冰在１標準大氣壓下升華要吸取137kcal/kg的熱量，其升華溫度為－78.9℃。目前干冰制冷常被用在人工降雨和醫(yī)療上。

42壓縮制冷氣體絕熱膨脹制冷利用氣體通過節(jié)流閥或膨脹機絕熱膨脹時，對外輸出膨脹功，同時溫度降低，達到制冷的目的。

蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成，用管道將它們連接成一個密封系統(tǒng)。制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)以低溫與被冷卻對象發(fā)生熱交換，吸收被冷卻對象的熱量并氣化，產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機吸入，經(jīng)壓縮后以高壓排出。壓縮機排出的高壓氣態(tài)制冷劑進冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結成高壓液體。高壓液體流經(jīng)膨脹閥時節(jié)流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，產(chǎn)生的低壓蒸汽再次被壓縮機吸入。如此周而復始，不斷循環(huán)。432.3恒溫技術熱隔離技術

控溫技術主要是為了保持晶體振蕩器的高穩(wěn)定度(例如：通訊機中的晶振的穩(wěn)定頻率為10－12)而采取的措施。關鍵技術是提供一套精確的控制系統(tǒng)(含電路)44習題

肋管式熱交換器，加熱流量為2.36?的空氣，使其溫度從15.5?℃升至29.4?℃，熱水的進口溫度為82.2?