一种电子设备的集成液冷散热设计

林兰修 张腾洋 张伟涛

（同方电子科技有限公司，江西 九江 332007）

电子设备的散热问题一直是设计中的重点和难点。功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏会直接影响整机可靠性。尤其是大功率器件发热量大，热量密度高，需要选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统，把电子元器件的温度控制在规定的数值下，在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，以确保热量能够顺利地散发出去。

设备小型化设计是现代电子设备发展的趋势，小型化后设备的热流密度也越来越大，散热问题更突出。电子设备的散热方式多种多样，其中小型设备以风冷散热为主。风冷散热难以满足大功率设备的要求。液冷散热多采用外挂式设计，即液冷源与设备分开。该文的设计将液冷和风冷进行了结合，集中统一到单机设备中，在有限的空间中利用合理的布局解决散热问题。

1 问题描述

某电子设备要求19 英寸标准上架机箱，高度3U，深度不大于500mm，工作温度为-40℃～+55℃。经过初步估算，整机耗散功率约1300W，其中1000W 热源集中在4 个功放管上，管壳最高工作温度不超过95℃。还有2 个电源模块热量较大，分别为80W 和120W，工作温度不超过85℃，其余耗散功率分散到各个单元中。

2 设计思路

2.1 散热方法的选择

设备中的功放管散热截面为10.3mm×41.3mm，局部最大热流密度达58.8W/cm2，整机热流密度为0.2W/cm2。从整机热流密度看，可采用强迫风冷散热，但局部热流密度过大，如果无法快速导出热量，将导致热源温度过高，进而损坏器件。因此需要效率更高的散热措施，即液冷散热是比较理想的选择[1]。

液冷技术是将液体作为冷却介质与热源进行换热，从而冷却热源的散热方式。由于液体的导热系数及比热均比空气大得多（如20℃的水导热系数为0.58W/m·K，比热容为4.1813kJ/kg·℃，同等温度下空气的导热系数为0.024W/m·K，比热容为1.005kJ/kg·K），散热能力是空气无法比拟的。在局部热流密度大的场合（大功率发射机的发射管）常采用该方法。其缺点是系统比较复杂，体积和质量较大，设备费用较高，维修也较困难。

2.2 散热系统的组成

完整的液冷散热系统由冷板、水泵、水箱、换热器、压力调节、流量控制、电路控制以及液冷管路等组成。其中水泵、冷板、换热器和水箱是液冷系统必不可少的组成部分。该设备受尺寸限制，采用的是最简化的液冷系统，舍弃了复杂的液冷管路、压力调节和流量控制等装置，仅保留最基本的冷板、水泵、水箱以及换热器，采用尽可能短的管路设计，将液冷系统集成到设备内部。液冷系统组成及原理如图1所示。

图1 液冷系统组成及工作原理图

图1 中水泵为液冷散热系统的动力之源，为液体流动提供动力。冷板是热源与冷却液之间的连接部件，冷板表面安装了热源，内部有密封管道，可流通液体，并通过冷板把热源的热量传递给冷却液。换热器是液冷系统热交换终端，通过换热器将热量散发到外界。水箱提供冷却液存贮、泄压和换液等辅助功能。

冷却液流向：水箱→水泵→冷板→换热器→水箱。

热量流向：热源→冷板→冷却液→换热器→空气→风机→排出设备。

2.3 结构布局

合理的结构布局和风道设计能有效地均衡内部温度。该设备电路部分有功放、滤波、电源、数据处理、天调接口以及液冷控制等模块。其中主要热源在功放和电源模块，其余数据处理、天调接口和滤波等模块均为小功率模块。为最大程度保证风道畅通并满足各模块安装需求，将冷板放大，做成大平板结构，在冷板内部加工出管道并充满冷却液体，其余各内部模块安装在冷板上、下两面。这样做可最大限度地利用液冷散热的优势，便于合理排布热源位置且不影响风道。4 个功放管作为主要热源分布在冷板上方，电源模块安装在冷板下方，位置不重叠，便于电路排版布局。

换热器和水箱同时安装在后面板上，通过很短的管路连接在一起。风机安装在与后面板换热器相对的位置，采用抽风方式工作。水泵直接安装在水箱上，省去了复杂的管道连接。通过这样紧凑的设计，将液冷散热系统的各组成部分分散安装到设备内部，与设备各功能模块紧密结合在一起，达到设备小型化和高效散热的目的。详细布局如图2、图3所示。图2 表示冷板上方各模块的安装布局，图3 表示冷板下方各模块的安装布局。

图2 设备俯视图

图3 设备底视图

2.4 冷板结构设计

冷板是液冷散热系统的关键部件。冷板的设计将直接影响液冷系统散热效果。需要考虑如下方面的因素[1]：1）选择导热系数高的材料制造。2）尽量减少热源与冷板之间的热阻。3）尽量缩短热源与冷却液之间的传导路径。4）规划合理的流道设计，兼顾各模块的热源位置，做到合理分布。5）流道内部设计兼顾散热面积和流速。

铝是理想的导热材料，具有质量轻、导热系数高、易加工和强度适中的特点，广泛应用于电子设备的各类零部件中。冷板采用铝材制造，冷板中间采用铣加工的方式直接加工出流道，再加工出与流道吻合的盖板，运用搅拌摩擦焊的先进工艺将盖板与冷板主体焊接在一起，形成密封通道。这样加工出来的冷板流道设计灵活，冷却液与冷板直接接触，与热源的传导路径短，能够在最大程度上发挥液冷散热的优势。如图4所示。

图4 冷板结构示意图

图4 中的进出液口并列排布，与水箱和水泵的接口对接。内部采用蛇形流道，流道腔体内增加翅片，形成微通道。由于冷板直接面对的是印制板上的发热器件，有功放管，也有电源模块，发热点较多且局部发热量较大，进行流道设计时整体采用蛇形流道。在流道弯道处，对翅片进行了导流设计，在直道处翅片成队列式排列，流体进入流道时成紊流状态，增加了冷却液的接触面积，同时也增大了对流换热系数，提高散热效率。

2.5 管路连接

在液冷系统设计中，管路连接往往占用空间较大且影响美观。设计时应尽量减少管道数量和长度。该文将水箱作为液体的中转连通、存储和缓冲的部件，将水泵、冷板和换热器连接在一起，形成一个整体。在水箱内部加工出液体的流通管道和存储空间，使液体在各零部件之间能够流通。采用对插式流体连接器连接冷板和水箱。与管道相比，流体连接器具有占用空间小、断开可自动密封、便于维修和可靠性高等优点。换热器与水箱通过很短的软管直连，可调整装配时各零部件之间的间隙和误差，降低使用要求和制造成本。

2.6 风道设计

风道是冷却空气流通的通道，应尽量减少风道风阻，以减少气流的压力损失，保证通道通畅。同时应尽量增大穿过换热器的空气流量和流速，以提高散热效果。整机采用前、后通风结构，将换热器安装在后面板上。冷风从设备前面板进入，经过各模块和换热器，由后面板风机输出，兼顾分散热源和换热器散热，形成完整的散热通道。本机采用前、后通风方式，气流进入设备后，从冷板上、下两侧快速流过各单元模块，通过换热器并经风机排出。风道如图5所示。

图5 风道示意图

风量的计算如公式（1）所示[2]。

式中：ρ为空气的密度，取1.06kg/m3；Cp为空气的比热，取1005J/（kg·℃）；Δt为空气的出口与进口温差，取典型值10℃计算；Φ为设备总功耗，取1300W，计算得Qf=0.122m3/s。

根据计算结果，选用3 个120mm×120mm×38mm 的轴流风机，转速5500r/min，最大风量为6.05m3/min，计算可得最大总风量为0.3025m3/s。考虑压力损失较大，工作点风量在最大风量的50% 左右，所选风机仍能满足要求。

3 仿真分析

利用热分析软件进行热设计，可减少设计反复，缩短研制周期，并降低成本。Icepak 是目前较流行的专业电子设备热分析及仿真软件，能够解决系统级、部件级以及封装级的热分析问题，在通信、汽车电子设备和电源设备等领域具有广泛应用。

在进行仿真分析前，需要对模型进行简化。其中冷板的流道设计和液体的流速、流量及压力对散热效果影响最大。该设备主要对冷板进行仿真设计。结果如图6、图7所示。

图6 环境温度55℃时热源温升情况

图7 环境温度55℃时冷板液体流动情况

通过Icepak 的分析可知，液冷系统为环境55℃时，只需提供15L/min 的流量，热源的最高温度约80.7℃，完全满足器件温升要求。

4 试验验证

上述电子设备已生产样机，运行后经过检测，热源温升为25℃，与仿真结果相近。经过高温55℃和低温-40℃环境例行试验，设备运行稳定，充分说明集成液冷散热系统的可行性。

5 结语

该文通过结合实际项目对电子设备液冷系统进行整体布局、冷板结构设计、风道分析和仿真热分析，逐步说明了集成液冷散热系统的组成和特点，阐述了集成化设计思路的应用方式，同时通过仿真和样机试验充分说明了采用液冷式散热系统的优势。