电子第四讲-冷板设计-2010

1、Copyright 2008 BeiHang University冷板设计冷板设计Cold PlatesCold Plates高红霞高红霞82338952新主楼新主楼C座座1006室室Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计冷板（冷板（Cold Plates）定义）定义冷板是一种单流体的热交换器，经常用作电子设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强迫对流，带走安装在其上电子设备或元器件的耗散热。的耗散热。 飞行器中的应用飞

2、行器中的应用高效肋片的使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使用有优势Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计冷板（冷板（Cold Plates）特点）特点l一般采用高导热系数材料制成，只要元器件适当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，能带走较大的集放置，可使冷板表面接近等温，能带走较大的集中热载荷。中热载荷。l制冷剂通过间壁吸收电子元器件的耗散热，由于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两者不直接接

3、触，故可避免制冷剂对电子元器件的污染。的污染。l由于冷板采用间接冷却方式，故可采用一些介电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。可提高冷板冷却效率。l冷板通道的当量直径较小，通道可布置各种高效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。肋片，故冷板表面传热系数高。Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计冷板（冷板（Cold Plate）的结构类型和选用）的结构类型和选用l气冷式冷板气冷式冷板空气为介质空气为介质冷板通道内一

4、般都要采用增强对流换热的各种肋表面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、小功率器件热量均匀分布的中、小功率器件 l液冷式冷板液冷式冷板水、乙二醇等液体作为冷却介质水、乙二醇等液体作为冷却介质 适用功率密度约为适用功率密度约为5 W/cm2高功率密度器件高功率密度器件l根据设备或元器件的热流密度、热源的分布状况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（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。及工作环境条件等因素综合考虑。 Copyright 20

5、08 BeiHang University电子设备热设计典型气冷冷板结构典型气冷冷板结构Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计常用气冷冷板肋片形式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波形通道形成二次流动增强换热Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计气冷冷板肋片选择气冷冷板肋片选择l最高工作压力、传热能力、允许压力降、流体性最高工作压力、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能、流量和有无相变等因素的综合考虑l气流速度宜在气流速

6、度宜在1 14m/s4m/s范围内范围内l肋片的高度和厚度根据传热系数的大小确定肋片的高度和厚度根据传热系数的大小确定 l传热系数较大，用低而厚的肋片l传热系数小，选用高而薄的肋片 l肋片的形状根据流体的性能和设计使用的条件选肋片的形状根据流体的性能和设计使用的条件选定定l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 l温差较小的情况，宜选用锯齿肋片 Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计气冷冷板传热表面的几何特性气冷冷板传热表面的几何特性l当量直径当量直径l肋片面积比肋片面积比l孔度孔度Copyright 2008 BeiHang Unive

7、rsity电子设备热设计气冷冷板传热表面的传热和阻力特性气冷冷板传热表面的传热和阻力特性l传热和阻力特性的经验关系式传热和阻力特性的经验关系式 （Nu或或j、f）充分发展的层流流动充分发展的层流流动 充分发展的湍流流动充分发展的湍流流动 过渡区域的层流流动过渡区域的层流流动 正在发展的层流流动正在发展的层流流动 l扩展表面的试验数据和关系式扩展表面的试验数据和关系式 l强迫液体流动的基本方程强迫液体流动的基本方程 Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计气冷冷板的压力损失气冷冷板的压力损失l冷板的压降冷板的压降冷板进口的压力损失冷板进口的压力损失出口的压

8、力回升出口的压力回升通道内的压力损失通道内的压力损失 2cf1ppppp1p2pcfpCopyright 2008 BeiHang University电子设备热设计气冷冷板传热计算中的基本参数和方程气冷冷板传热计算中的基本参数和方程l与外界的对流换热量与外界的对流换热量l制冷剂吸收的热量制冷剂吸收的热量l热量平衡热量平衡l冷板的传热单元数冷板的传热单元数l冷板表面温度冷板表面温度l冷板热效率冷板热效率0mtA12ttcqpm120mttcqtApm0s1s2NTUlnmpAttq ctt st1NTU12NTUsettetNTU1eNTU methodCopyright 2008 BeiHa

9、ng University电子设备热设计气冷冷板的设计计算气冷冷板的设计计算校核性校核性l对已有冷板装置的散热能力进行核算或变工况计算对已有冷板装置的散热能力进行核算或变工况计算l冷板上的热负载是属于均温冷板上的热负载是属于均温分布，即冷板等温分布，即冷板等温冷板材料的导热系数极高冷板材料的导热系数极高用热管模拟用热管模拟冷凝器冷凝器 l已知条件：冷板结构、散热量，以及制冷剂入口参数已知条件：冷板结构、散热量，以及制冷剂入口参数l定性温度定性温度平均膜温平均膜温l传热参数计算传热参数计算l压降计算压降计算l冷板表面温度和压降校核（改变制冷剂流量）冷板表面温度和压降校核（改变制冷剂流量）Copy

10、right 2008 BeiHang University电子设备热设计冷板的设计计算冷板的设计计算设计性设计性l根据给定的工作条件及耗散热量，确定冷板所需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的传热面积，进而决定冷板的结构尺寸 l试凑和迭代的方法试凑和迭代的方法 l冷板上的热负载是属于均温冷板上的热负载是属于均温分布分布l预设冷板结构预设冷板结构l同校核性计算过程同校核性计算过程l有些结构尺寸是互相关联的有些结构尺寸是互相关联的 A trial-and-error methodRating methodCopyright 2008 BeiHang Uni

11、versity电子设备热设计冷板的非均温性冷板的非均温性对于薄面板的冷板，冷板对于薄面板的冷板，冷板表面温度往往不一致表面温度往往不一致实际的对数平均温差降低实际的对数平均温差降低导致需要较大一些的导致需要较大一些的NTU才能实现同样的冷板表面才能实现同样的冷板表面温度温度需用换热器的需用换热器的 计算方计算方式式lmtCopyright 2008 BeiHang University电子设备热设计液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计Liq

12、uid inflowLiquid outflowPower Devices(attached on both sides)Icepak cold plate model液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计Liquid inflowLiquid outflowTubesIcepak cold plate model液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计液冷冷板系统液冷冷板系统铜、铝和不锈钢板材圆、方形通道Copyright 2008 BeiHang University电子设备热

13、设计液体冷却系统用泵液体冷却系统用泵系统总压力损失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高度差压降 由弯头、三通和过渡段等附件引起的压降由弯头、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）的等效管长利用各种附件（如弯头、三通等）的等效管长 齿轮泵齿轮泵往复式泵往复式泵离心泵离心泵安全装置安全装置 Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计液体制冷剂液体制冷剂去离子蒸馏水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不能用于铝制冷板未经处理的水可用于铜制和不锈钢

14、制冷板未经处理的水可用于铜制和不锈钢制冷板 乙二醇水溶液（使用温度范围扩大）乙二醇水溶液（使用温度范围扩大）硅油硅油含氟化合物含氟化合物介电制冷剂（介电制冷剂（PAOPAOPoly Alpha OlefinPoly Alpha Olefin）Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计例题：水冷冷板性能计算例题：水冷冷板性能计算晶体管16个每个发热量37.5W总功耗600W冷却水流量62.8g/s进口温度35安装表面最高温度71 螺栓安装接触面上使用硅脂，接触热阻0.3K/W 校核晶体管表面温度校核晶体管表面温度计算系统压降计算系统压降Copyright 2

15、008 BeiHang University电子设备热设计LFTLiquid Flow ThroughDevin W.Hersey. Thin Liquid Flow-Through Core with Machined Flow Channels. 20th IEEE SEMI-THERM, p213-220Copyright 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 U

16、niversity电子设备热设计Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计60647.8 mm3水力直径分别为3，1.5，1 mmMing-Chang Lu, etal. Numerical Study of Flow Mal-distribution on the Flow and Heat Transfer for Multi-channel Cold-Plates. 20th IEEE SEMI-THERM Symposium, p205-212Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计Hybrid CoolingCopyright 2008 BeiHang University电子设备热设计Closed Loo