一种组件冷板散热设计

航天南湖电子信息技术股份有限公司 袁 毛 陈伟亚

引言

冷板既是电子元器件的安装板，又是电子元器件的热交换器。冷板利用传导散热的方式，将电子元器件的热量通过冷板传给冷却液，冷却液流经换热器将热量带走。本文根据指标要求从冷板设计思路、布局、热设计三方面对冷板设计进行了介绍，并给出了仿真结果验证了设计的可行性。

1.主要技术指标要求

冷板主要技术指标为：散热能力：660W；冷却液：65#防冻液（GJB6100-2007）；冷板最大耐压：1.5MPa；保压时间5min；输入口与输出口采用自封接头，TSC-5T/Z液冷连接器；环境温度50℃，进水温度不高于60℃，电子元器件温度≤90℃；冷板材料使用 GB/T3180-2008 铝板6063（T6）。

2.设计思路

液冷冷板的设计主要是确定流道的尺寸。流道尺寸的确定因素主要包括：冷板上总的热负载、单个器件的热耗密度、系统提供的冷却液流量、要求的器件表面温度和冷却液入口温度等。

主要思路：根据热耗密度和温度等要求先确定所要求的换热系数，根据换热系数和系统提供的流量即可确定流道内的流速和基本的流道截面尺寸。设计中充分利用冷却的强化效应，如采用传统蛇形流道冷板提高流道内的流速使冷却液达到湍流状况、使流道方向改变而增加流体的扰动、采用入口段效应等。

图1 冷板器件布局

图2 流道分布示意图

3.布局

根据冷板最大换热能力、器件布局、器件发热功率等综合考虑流道结构和换热面积的设计，冷板布局图如图1所示，流道分布示意图如图2所示。冷板流道截面为14mm×7mm，焊接方法采用搅拌摩擦焊。

4.热设计

a）进水温度30℃时，冷板平均壁温计算。

公式（1）为温差计算公式：

式中，Δt为温差，P为功耗，Cp为流体比热容，ρ为流体密度，q为流量。

设功耗660W，流量6L/min，根据公式（1）有：Δt=1.82℃。

可得：出液温度：31.82℃，平均温度：30.91℃。

根据管内换热公式（2）：

当量流道截面积f：14mm×7mm，管道通道长度L：2565mm，湿润面积F：0.10773m2，定性温度T：30.91℃，流体密度，流体运动粘度ν：4.6×10-6m2/s，导热系数λ：0.343W/m.℃=0.2953kal/m.h.℃，普朗特数Pr=48，直径de=(4×14×7)/(2×(14+7))mm=9.3mm，流速w：1.02m/s，雷诺数Re=w*de/v=2062,计算可得Nuf=13.22。

b）进水温度60℃时，冷板平均壁温计算

根据公式（1）有：Δt=1.73℃。

可得：出液温度：61.73℃，平均温度：60.87℃。

当量流道截面积f：14mm×7mm，管道通道长度L：2565mm，湿润面积F：0.10773m2，定性温度T：60.87℃，流体密度，流体运动粘度ν：2.0×10-6m2/s，导热系数λ：0.359W/m.℃=0.3095kal/m.h.℃，普朗特数Pr=19.8，直径de=(4×14×7)/(2×(14+7))mm=9.3mm，流速w：1.02m/s，雷诺数Re=w*de/v=4743。

根据管内换热公式（2）有：

5.结论

采用有限元软件CFX对冷板的换热能力进行分析，分析结果如下：

当进水温度30℃，流量6L/min，出水口压力0.1MPa，功耗660W时，仿真分析结果为最高水温度32.2℃，冷板最高温度42.3℃，进水口压力0.1084MPa。当进水温度60℃，流量6L/min，出水口压力0.1MPa，功耗660W时，仿真分析结果为最高水温度61.9℃，冷板最高温度70.2℃，进水口压力0.1076MPa。仿真计算结果表明此流道可以满足电子元器件在进水30℃时处于一个较佳的工作状态和在进水60℃温度下最高温度不大于85℃的要求。

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