液冷机箱及冷板散热系统的研究 -2

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。