某液冷组件流道变形原因分析

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(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031；2.永昇空调有限公司，江苏 泰兴 225400)

0 引言

液冷系统一般由泵、储液箱、换热器、过滤器、冷却介质、液冷组件、管路阀门及附件、控制和保护装置等组成[1-2]，部分对水质要求较高的系统还配备水处理装置，用于水质的净化。

典型的液冷组件一般是功率器件、冷却水套或冷板等的组合体，本文涉及的液冷组件就是属于这一类型[3]。其中，冷却水套或冷板为换热器，用于进行热交换，将功率器件的热耗传输到冷却液中。为确保液冷系统的环境适应性，冷却介质一般使用主要成份为乙二醇的冷却液。

1 问题描述

所述液冷组件由上、下两个相同的异形冷板组合而成。流道位于其中，两端为汇流槽，汇流槽处配有相应的进、出口及转接接头等，用于与外部液冷系统的连接。

该液冷组件所属的液冷系统由5个支路构成，系统的最大供液压力为0.8 MPa，所述的液冷组件位于其中一个支路上，设计供液压力约0.5 MPa，流量>8 L/min，该支路的组成如图1所示。冷却液为65#乙二醇防冻液。

图1 液冷系统支路流程

在系统的联调过程中，该液冷组件的性能严重恶化并迅速失效。通过对失效液冷组件的拆解发现，冷板的流道变形明显，外部变形情况如图2所示。

图2 流道外部膨胀变形实物

内部变形情况如图3所示，所装器件也因为冷板流道的变形产生损环。

图3 流道内部膨胀变形实物

从图2、图3中可以看出，冷板流道膨胀变形最大处在流道的进出水口的汇流槽处。

2 故障分析

根据组件的故障部位，从设计、制造和使用等多个方面进行故障的排查工作。从组件流道变形膨胀的表象来看，初步分析认为是该支路内部冷却液压力过高，超出组件材料的承受极限造成的，后续分析也将围绕这一因素展开。

从设计方面来看，主要的可能因素有：液冷组件设计强度不足、设计缺陷、液冷压力超标等因素。通过对液冷系统的设计及运行参数记录的分析，联调时水冷系统所有参数都在设计范围之内，所以排除液冷系统的设计问题，因此，在设计因素方面，只需要针对液冷系统的运行参数，对组件进行力学分析及实验即可。

从使用方面来看，主要因素有：未按操作规程使用液冷系统、冷却液变质等因素。通过对系统调试记录的查阅，均未发现违规操作现象，只发现在联调过程中，存在不同厂家及牌号冷却液混用的情况，所以，在使用方面将重点分析冷却液的情况，如冷却液自身是否发生了膨胀，如发生了冻结等。

从制造方面看，有材料缺陷、加工超差、工艺流程等，因该组件为合格品，故制造因素为暂时作为备选项处理。

3 设计因素分析

3.1 力学分析输入条件

3.1.1 工作压力

从流程图1上分析，该液冷组件所在支路设计工作压力0.5 MPa，在以下几种状况下，工作压力会增加直至系统的最大工作压力0.8 MPa。

①供液侧主截止阀开度过大，导致整个系统工作压力偏高。

②该液冷组件供液侧支路截止阀开度过大，引起该支路的流量和压力过大，此时，该液冷组件的供液压力与系统的供液压力相近。

③该液冷组件支路回液侧的阀门没有完全打开，引起所在支路压力过大。

④回液侧主截止阀没有完全打开，引起所有支路压力过大。如回液侧主截止阀关闭，则所有支路压力达到最大值。

从上述分析来看，该液冷组件实际情况的承受的压力值应该在0.5～0.8 MPa之间，力学分析以这个作为输入进行。模拟工况按工况一(供液压力为0.5 MPa)和工况二(供液压力为0.8 MPa)，即液冷系统正常工作时的压力和最大压力。

3.1.2 材料属性

经查该液冷组件的冷板图纸可知，该冷板的加工主体材料为是T2，材料的状态为硬态。查相关材料手册[4-6]，铜T2材料的部分力学性能如表1所示。

表1 铜T2(Y)的材料属性表 MPa

3.1.3 模型简化

由于该液冷组件结构上下对称，所以在针对该液冷组件内部结构冲压有限元分析时，只取上半部进行分析处理，分析在供液压力可能的范围内组件的内应力和结构变形。

3.2 力学分析

3.2.1 工况一的力学分析结果

通过三维建模及有限元分析，在工况一的情况下，经过多轮逼近模拟运算，该液冷组件局部应力云图如图4所示。

图4 工况一液冷组件应力云图

应力最大值为75.86 MPa，位于水道两端汇流槽处。

3.2.2 工况二的力学分析结果

在工况二的情况下，该液冷组件局部应力云图如图5所示。

图5 工况二液冷组件应力云图

应力最大值为121.4 MPa，同样位于水道两端汇流槽处。

3.3 力学分析结论

比较力学分析的结果和表1中的数据，工况为0.5 MPa和0.8 MPa时，应力均未超出表1中所示材料的屈服强度，组件不应该出现流道永久性变形的情况，因此，设计导致流道变形的因素被基本排除。

4 使用因素分析

该液冷系统在联调过程中，主要使用了两种冷却液，分别为20#和65#，分别为两个厂家提供。为提高冷却液的抑菌、缓蚀效果，冷却液中都含有不同成份的添加剂[7]。因调试时间跨过冬季，且冷却液在使用过程中存在混装，冷却液是否冻结成为了重点的排查因素。为确保试验数据的可靠性，分别提取了液冷系统中的残存冷却液和现场两个厂家的存货，并根据实际使用的可能情况按表2进行了样品的准备。

表2 冷却液样品表

试验流程及结果是，高低温试验箱降温到零下20 ℃，保温10 min后，1#样品出现结冻现象，高低温试验箱降温到零下40 ℃，保温10 min后，7#样品出现结冻现象，后续高低温试验箱继续降温，直至零下45 ℃，并进行了30 min的保温，其余样品都没有出现结冻现象。图6所示的为试验的最终状态。通过对冻结的1#和7#样品的表面进行观察，发现有不明显的凸起，显示在冻结过程中，冷却液有轻微的膨胀现象。

图6 冷冻试验图

从试验结果看，不同厂家和牌号冷却液的混合没有降低冷却液的性能，也没有导致冷却液的变质恶化。鉴于联调现场的温度没有低于零下20 ℃，因此，在系统的联调过程中，冷却液不可能冻结，故冷却液冻结导致流道膨胀的因素被完全排除。

乙二醇冷却液热膨胀率大[8]， 热膨胀也是一个可能因素，该液冷系统中设有排气及体积膨胀缓冲装置，故该因素也被排除。

5 制造因素分析

经过上述分析可知，供液压力和冷却液冻结均不是导致该液冷组件冷板流道的变形的直接原因，因此，制造因素从备选项成为重点排查项，如本批次制造液冷组件的材料是否有缺陷，或是其它因素导致了材料的性能降低等。

为此，对该液冷组件冷板的结构、工艺和材料进行了查询和分析，从源头上，即图纸和制作工艺上进行进逐步的排查。

在查询到该液冷组件冷板的制作工艺时，发现该冷板为拼接件，存在焊接工序，该工序的基本要求为：采用银焊焊接，整体焊接完成后，再作去应力处理。因为该液冷组件尺寸较大，所以液冷组件的预热在炉中完成。

根据这个工艺流程，对照相关的典型工艺可知，焊接用到的两种银钎料的熔点分别为779 ℃和595～605 ℃，预热温度按典型工艺的要求一般高于钎料30～50 ℃，预热完成后，再进行焊接操作。因为铜T2材料的退火温度一般为380～650 ℃[6-9]，所以冷板的主体材料在焊接加工的过程中，也完成了材料退火操作，力学性能有较大的下降。

铜T2材料在退火状态下的主要力学性能如表3所示[4-6]。

表3 铜T2(M)的材料属性表 MPa

根据图5、图6的有限元的数值分析并参照表3中退火状态下铜T2的屈服强度：在0.5 MPa工况时，该冷板的局部应力己超过铜T2屈服强度的最大值，在0.8 MPa工况时，己达到铜T2屈服强度最大值的近两倍，因此，该液冷组件冷板的流道在实际情况下，存在膨胀变形的必然性[10]。

6 故障定位

综上所述，这是一起因供液压力超过材料的耐受极限而引起的故障。究其原因，在设计最初，材料是符合使用要求的，但后期的制造导致材料力学能大幅度下降，而在这一过程中，设计与制造之间未进行有效的沟通。

7 实验验证

为确认上述结论，需通过实验进行故障复现。为节省成本，该实验在专用液冷源实验台上利用了己损坏的液冷组件进行，并采用杠杆百分表进行变形膨胀的观察。

模拟导致压力超高的工况，逐步提升系统供液压力，进行液冷组件流道变形与压力的关系评测。当供液压力达到0.7 MPa时，杠杆百分表指针出现轻微摆动，当供液压力达到1.0 MPa时，杠杆百分表指针出现大幅度摆动，同时内部贴装的功率器件发生破碎和掉落现象。因试验是在流道己膨胀的液冷组件上进行的，按金属冷作硬化的规律，此时材料的强度比初始状态有所提升[11]，故供液压力和形变的工况均高于力学分析的结果。

8 改进措施

8.1 应急措施

应急措施的目的是确保在现有的条件下，该液冷组件流道不变形和系统联调的正常进行。这个应急措施的指导思想是限压，即在该液冷组件支路增加限压装置或是限压阀，确保该支路的供液压力不超过0.5 MPa。

首先对组件流道的特性曲线，也就是供液压力与流量的关系进行了测量。测试记录如表4所示。

同时，在系统调试结果后，暂时固化回液测截止阀，使之无法调整，防止误操作产生，如在回液侧截止阀全关的情况下开机。

表4 测试记录

可得该液冷组件流道的特性曲线如图7所示。

图7 液冷组件的流道特性曲线

在这一特性曲线的基础上，在支路上增加了限压装置，如图8所示。

图8 测压限压装置

8.2 长期改进措施

长期改进重点在提升液冷组件的结构强度，使之符合现有液冷系统的要求。具体措施包括两个方面，第一个方面是对该液冷组件的流道进行结构强化，如流道的网格化处理、增加盖板厚度、在局部弱点增加加强筋等，可以有效地降低结构件的内应力，如图9所示，网格化和局部加强筋使0.8 MPa的工况下结构件的应力最大值降到70 MPa以下。长期改进措施的另一方面是在不影响组件电性能、传热性能的基础上，更换强度更好的材料，如H96铜，其退火态的屈服强度可达到120 MPa左右。

图9 改进后工况二应力云图

这两个措施综合使用，将完全杜绝流道变形的可能。

9 结束语

液冷相关的组件，在实际应用前，应测试流道相应的特性曲线，给出最佳的工作点等参数，同时进行液冷相关极限值的测量和试验，如压力、流量等，作为冷却系统的设计依据。

结构件的实际力学性能，在参照材料本身的前提下，还应综合考虑工艺、工作环境等因素。

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