電子第四講-冷板設(shè)計(jì)-2010

1、Copyright 2008 BeiHang University冷板設(shè)計(jì)冷板設(shè)計(jì)Cold PlatesCold Plates高紅霞高紅霞82338952新主樓新主樓C座座1006室室Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)冷板（冷板（Cold Plates）定義）定義冷板是一種單流體的熱交換器，經(jīng)常用作電子設(shè)冷板是一種單流體的熱交換器，經(jīng)常用作電子設(shè)備的底座，它通過空氣、水或其它冷劑在通道中備的底座，它通過空氣、水或其它冷劑在通道中的強(qiáng)迫對流，帶走安裝在其上電子設(shè)備或元器件的強(qiáng)迫對流，帶走安裝在其上電子設(shè)備或元器件的耗散熱。的耗散熱。 飛行器中的應(yīng)用飛

2、行器中的應(yīng)用高效肋片的使用高效肋片的使用在功率密度高、體積和重量受到嚴(yán)格限制的場合在功率密度高、體積和重量受到嚴(yán)格限制的場合使用有優(yōu)勢使用有優(yōu)勢Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)冷板（冷板（Cold Plates）特點(diǎn)）特點(diǎn)l一般采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料制成，只要元器件適當(dāng)一般采用高導(dǎo)熱系數(shù)材料制成，只要元器件適當(dāng)放置，可使冷板表面接近等溫，能帶走較大的集放置，可使冷板表面接近等溫，能帶走較大的集中熱載荷。中熱載荷。l制冷劑通過間壁吸收電子元器件的耗散熱，由于制冷劑通過間壁吸收電子元器件的耗散熱，由于兩者不直接接觸，故可避免制冷劑對電子元器件兩者不直接接

3、觸，故可避免制冷劑對電子元器件的污染。的污染。l由于冷板采用間接冷卻方式，故可采用一些介電由于冷板采用間接冷卻方式，故可采用一些介電性能不好但是傳熱性能優(yōu)良的冷劑，如水，從而性能不好但是傳熱性能優(yōu)良的冷劑，如水，從而可提高冷板冷卻效率?？商岣呃浒謇鋮s效率。l冷板通道的當(dāng)量直徑較小，通道可布置各種高效冷板通道的當(dāng)量直徑較小，通道可布置各種高效肋片，故冷板表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。肋片，故冷板表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)高。Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)冷板（冷板（Cold Plate）的結(jié)構(gòu)類型和選用）的結(jié)構(gòu)類型和選用l氣冷式冷板氣冷式冷板空氣為介質(zhì)空氣為介質(zhì)冷板通道內(nèi)一

4、般都要采用增強(qiáng)對流換熱的各種肋表面冷板通道內(nèi)一般都要采用增強(qiáng)對流換熱的各種肋表面適用功率密度可達(dá)適用功率密度可達(dá)1.5 W/cm2 熱量均勻分布的中、小功率器件熱量均勻分布的中、小功率器件 l液冷式冷板液冷式冷板水、乙二醇等液體作為冷卻介質(zhì)水、乙二醇等液體作為冷卻介質(zhì) 適用功率密度約為適用功率密度約為5 W/cm2高功率密度器件高功率密度器件l根據(jù)設(shè)備或元器件的熱流密度、熱源的分布狀況根據(jù)設(shè)備或元器件的熱流密度、熱源的分布狀況（集中、均布、非均布）、許用溫度、許用壓降（集中、均布、非均布）、許用溫度、許用壓降及工作環(huán)境條件等因素綜合考慮。及工作環(huán)境條件等因素綜合考慮。 Copyright 20

5、08 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)典型氣冷冷板結(jié)構(gòu)典型氣冷冷板結(jié)構(gòu)Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)常用氣冷冷板肋片形式常用氣冷冷板肋片形式當(dāng)量直徑小，有利于增強(qiáng)傳熱層流邊界層破壞，換熱能力提高靠孔區(qū)的紊流提高換熱系數(shù)波形通道形成二次流動增強(qiáng)換熱Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)氣冷冷板肋片選擇氣冷冷板肋片選擇l最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性能、流量和有無相變等因素的綜合考慮能、流量和有無相變等因素的綜合考慮l氣流速度宜在氣流速

6、度宜在1 14m/s4m/s范圍內(nèi)范圍內(nèi)l肋片的高度和厚度根據(jù)傳熱系數(shù)的大小確定肋片的高度和厚度根據(jù)傳熱系數(shù)的大小確定 l傳熱系數(shù)較大，用低而厚的肋片l傳熱系數(shù)小，選用高而薄的肋片 l肋片的形狀根據(jù)流體的性能和設(shè)計(jì)使用的條件選肋片的形狀根據(jù)流體的性能和設(shè)計(jì)使用的條件選定定l高溫流體和低溫流體之間溫差較大的情況，宜選用平直肋片 l溫差較小的情況，宜選用鋸齒肋片 Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)氣冷冷板傳熱表面的幾何特性氣冷冷板傳熱表面的幾何特性l當(dāng)量直徑當(dāng)量直徑l肋片面積比肋片面積比l孔度孔度Copyright 2008 BeiHang Unive

7、rsity電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)氣冷冷板傳熱表面的傳熱和阻力特性氣冷冷板傳熱表面的傳熱和阻力特性l傳熱和阻力特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式傳熱和阻力特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 （Nu或或j、f）充分發(fā)展的層流流動充分發(fā)展的層流流動 充分發(fā)展的湍流流動充分發(fā)展的湍流流動 過渡區(qū)域的層流流動過渡區(qū)域的層流流動 正在發(fā)展的層流流動正在發(fā)展的層流流動 l擴(kuò)展表面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)系式擴(kuò)展表面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和關(guān)系式 l強(qiáng)迫液體流動的基本方程強(qiáng)迫液體流動的基本方程 Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)氣冷冷板的壓力損失氣冷冷板的壓力損失l冷板的壓降冷板的壓降冷板進(jìn)口的壓力損失冷板進(jìn)口的壓力損失出口的壓

8、力回升出口的壓力回升通道內(nèi)的壓力損失通道內(nèi)的壓力損失 2cf1ppppp1p2pcfpCopyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)氣冷冷板傳熱計(jì)算中的基本參數(shù)和方程氣冷冷板傳熱計(jì)算中的基本參數(shù)和方程l與外界的對流換熱量與外界的對流換熱量l制冷劑吸收的熱量制冷劑吸收的熱量l熱量平衡熱量平衡l冷板的傳熱單元數(shù)冷板的傳熱單元數(shù)l冷板表面溫度冷板表面溫度l冷板熱效率冷板熱效率0mtA12ttcqpm120mttcqtApm0s1s2NTUlnmpAttq ctt st1NTU12NTUsettetNTU1eNTU methodCopyright 2008 BeiHa

9、ng University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)氣冷冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算氣冷冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算校核性校核性l對已有冷板裝置的散熱能力進(jìn)行核算或變工況計(jì)算對已有冷板裝置的散熱能力進(jìn)行核算或變工況計(jì)算l冷板上的熱負(fù)載是屬于均溫冷板上的熱負(fù)載是屬于均溫分布，即冷板等溫分布，即冷板等溫冷板材料的導(dǎo)熱系數(shù)極高冷板材料的導(dǎo)熱系數(shù)極高用熱管模擬用熱管模擬冷凝器冷凝器 l已知條件：冷板結(jié)構(gòu)、散熱量，以及制冷劑入口參數(shù)已知條件：冷板結(jié)構(gòu)、散熱量，以及制冷劑入口參數(shù)l定性溫度定性溫度平均膜溫平均膜溫l傳熱參數(shù)計(jì)算傳熱參數(shù)計(jì)算l壓降計(jì)算壓降計(jì)算l冷板表面溫度和壓降校核（改變制冷劑流量）冷板表面溫度和壓降校核（改變制冷劑流量）Copy

10、right 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算冷板的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)性設(shè)計(jì)性l根據(jù)給定的工作條件及耗散熱量，確定冷板所需根據(jù)給定的工作條件及耗散熱量，確定冷板所需的傳熱面積，進(jìn)而決定冷板的結(jié)構(gòu)尺寸的傳熱面積，進(jìn)而決定冷板的結(jié)構(gòu)尺寸 l試湊和迭代的方法試湊和迭代的方法 l冷板上的熱負(fù)載是屬于均溫冷板上的熱負(fù)載是屬于均溫分布分布l預(yù)設(shè)冷板結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)冷板結(jié)構(gòu)l同校核性計(jì)算過程同校核性計(jì)算過程l有些結(jié)構(gòu)尺寸是互相關(guān)聯(lián)的有些結(jié)構(gòu)尺寸是互相關(guān)聯(lián)的 A trial-and-error methodRating methodCopyright 2008 BeiHang Uni

11、versity電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)冷板的非均溫性冷板的非均溫性對于薄面板的冷板，冷板對于薄面板的冷板，冷板表面溫度往往不一致表面溫度往往不一致實(shí)際的對數(shù)平均溫差降低實(shí)際的對數(shù)平均溫差降低導(dǎo)致需要較大一些的導(dǎo)致需要較大一些的NTU才能實(shí)現(xiàn)同樣的冷板表面才能實(shí)現(xiàn)同樣的冷板表面溫度溫度需用換熱器的需用換熱器的 計(jì)算方計(jì)算方式式lmtCopyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)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電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Liquid inflowLiquid outflowTubesIcepak cold plate model液冷冷板液冷冷板Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)液冷冷板系統(tǒng)液冷冷板系統(tǒng)銅、鋁和不銹鋼板材圓、方形通道Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱

13、設(shè)計(jì)液體冷卻系統(tǒng)用泵液體冷卻系統(tǒng)用泵系統(tǒng)總壓力損失系統(tǒng)總壓力損失摩擦壓降，它由液體的速度和管內(nèi)的表面粗糙度決定摩擦壓降，它由液體的速度和管內(nèi)的表面粗糙度決定高度差壓降高度差壓降 由彎頭、三通和過渡段等附件引起的壓降由彎頭、三通和過渡段等附件引起的壓降利用各種附件（如彎頭、三通等）的等效管長利用各種附件（如彎頭、三通等）的等效管長 齒輪泵齒輪泵往復(fù)式泵往復(fù)式泵離心泵離心泵安全裝置安全裝置 Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)液體制冷劑液體制冷劑去離子蒸餾水去離子蒸餾水未經(jīng)處理的水不能用于鋁制冷板未經(jīng)處理的水不能用于鋁制冷板未經(jīng)處理的水可用于銅制和不銹鋼

14、制冷板未經(jīng)處理的水可用于銅制和不銹鋼制冷板 乙二醇水溶液（使用溫度范圍擴(kuò)大）乙二醇水溶液（使用溫度范圍擴(kuò)大）硅油硅油含氟化合物含氟化合物介電制冷劑（介電制冷劑（PAOPAOPoly Alpha OlefinPoly Alpha Olefin）Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)例題：水冷冷板性能計(jì)算例題：水冷冷板性能計(jì)算晶體管16個(gè)每個(gè)發(fā)熱量37.5W總功耗600W冷卻水流量62.8g/s進(jìn)口溫度35安裝表面最高溫度71 螺栓安裝接觸面上使用硅脂，接觸熱阻0.3K/W 校核晶體管表面溫度校核晶體管表面溫度計(jì)算系統(tǒng)壓降計(jì)算系統(tǒng)壓降Copyright 2

15、008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)LFTLiquid Flow ThroughDevin W.Hersey. Thin Liquid Flow-Through Core with Machined Flow Channels. 20th IEEE SEMI-THERM, p213-220Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Copyright 2008 BeiHang U

16、niversity電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)60647.8 mm3水力直徑分別為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電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Copyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Hybrid CoolingCopyright 2008 BeiHang University電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)Closed Loo