冷板類似于風冷或者自然散熱中的散熱器，是液冷設計中相對可變的組件，其它諸如泵、快接頭、膨脹罐、脫氣罐、過濾器甚至換熱器等多數都可以通過計算幾個關鍵參數來在既有成熟產品系列中選型來實現。因此，本章重點闡述冷板散熱器的設計。
設計冷板散熱器時，基本考量因素如下：
l 通過在一定體積空間內加大固體與流體的接觸面積實現換熱強化；
l 通過導熱界面材料接觸發熱源；
l 存在流體與固體的接觸面；
l 發熱源熱量先傳遞到冷板，然后再傳遞到冷板中流動的液體介質，帶出系統。
很顯然，冷板的設計步驟和要考量的因素與風冷或自然散熱設備中的散熱器類似。只不過冷板面臨的流體介質是液體，而強迫風冷或自然散熱中散熱器面臨的流體介質則為氣體。從如下的設計步驟，也可明顯看出這一點：
5.1 計算流量
開始設計冷板之前，需要估算系統散熱所需的流量，類似于風冷散熱中，在開始系統風道設計之前，需先估算風量的需求。
與風扇風量計算公式相同，液體工質流量的估算依據仍然是能量守恒定律：
Q = P / density / Cp / Δt
式中Cp為流體工質的比熱容，density為流體工質密度
舉例：工質為水，發熱量為5KW，進出水口溫升5℃
流量需求： Q = P / density / Cp / Δt = 5000 / 992 / 4179 / 5 = 2.41 ? 10-4 m3/s = 0.241 L/s
注：水的物性參數參考溫度為25℃。
5.2 確定冷板材質
除去成本、可獲得性、可加工性等任何設計都需要考慮的因素之外，冷板材質的選定還應關注如下幾點：
1) 導熱系數
常見的冷板材質是銅（合金）和鋁（合金），這兩種金屬的導熱系數都比較高。實際上，電子產品中充當主要散熱功能的金屬結構件，絕大多數材質都是銅（合金）和鋁（合金）。
2) 與液態工質之間的化學相容性
與泵類似，冷板也必須保證其和液態工質之間具備化學相容性。通常，液態工質和冷板之間的電化學反應在所難免，為了降低腐蝕速率，可以在工質中添加緩蝕劑。 緩蝕劑又稱為腐蝕抑制劑（anti-corrosive corrosive inhibitor），是指以適當的濃度和形式存在于環境（介質）中時，可以防止或減緩材料腐蝕的化學物質或復合物。當確定了系統中與液冷工質直接接觸的材料后，可以根據材料屬性選擇合適的緩蝕劑。
表11-5常見冷板材質與工質相容性表[8]
注：此處冷板材質是指與液冷工質接觸的固體材質，表中打√的表示能夠相容。
1) 密度
在要求輕量化設計的產品中，這就要使用密度更低的材料。在這種情況下，鋁成為非常廣泛的選擇。如新能源汽車動力電池包內的冷板，通常材質就是鋁合金。
2) 凝固點和沸點
液冷工質需要保證在產品使用的環境溫度范圍內保持液態。如果工質凝固點太高，有可能導致外界氣溫較低時凝固，工質無法形成循環流動，系統失效；如果工質沸點太低，則可能會在外界溫度較高時，液體沸騰生成氣體，導致系統失穩。
5.3 流道設計
風冷系統中，一般會通過更改內部發熱元件布局，增加或刪減結構件來約束空氣的走向，進而改變產品內部熱量轉移方向和轉移效率。液冷系統中，液體的走向可以直接通過管路來嚴格約束。
類似于風冷系統中的空氣，作為移熱介質，液冷系統中的液體的走向也會直接影響熱量的轉移方向和轉移效率。對冷板進行流道設計時需要考慮如下因素：
1) 熱源分布：流體應盡可能接近發熱源，降低擴散熱阻；
2) 結構避位：屬于結構設計范疇，流道需要與冷板上的固定孔保持安全距離；
圖11-17 流道應當避開冷板上密布的固定孔
1) 均勻布局：流體應盡可能均勻地掠過冷板，有效利用散熱面積。通常，距離流道越遠，對散熱的貢獻越小；
圖11-18 雪佛蘭Volt動力電池中的鋁制液冷冷板，液體均勻流過整個冷板
1) 控制流速：工質對散熱器的沖蝕作用會隨著流速的增加而惡化，而且流動的阻力也會迅速加大。但顯然流速越大，對流換熱系數越高。流速需要結合產品散熱需求和可用空間，綜合給定；
2) 盡量降低流阻：設計串并聯流道，降低流動阻力，減少泄露風險；
圖11-19 多流道并聯的嵌管式冷板
1) 可加工性和成本；
2) 泄壓和告警等設計：應在管路合理位置布置壓力傳感器和溫度傳感器，實現對系統的實時監測。當壓力或溫度異常時，采取必要的控制手段。
5.4 冷板類型及其優缺點
液冷系統適應的范圍非常廣，其應對的產品類型特點千變萬化。不同需求下，就需要采用不同類型的冷板。根據工藝難度，常見的冷板可以分為如下幾種：鉆孔式，壓管式，浮泡式，銑槽式，擴展表面式，微通道式等。其優缺點匯總如下：
表11-6常見冷板的優缺點
6 本章小結
液冷設計具備許多與空氣冷卻不同的特征，本章敘述了不同液冷設計方案的差異，介紹了液冷方案的設計步驟和各個環節應當注意的事項。冷板是液冷設計中的關鍵物料，它某種程度上決定了液冷工質、泵、換熱器等的形式，變化形式繁多，故第五節較為詳細地闡述了冷板的設計方法。隨著產品功率密度的增加，液冷的應用會越來越多。其設計難度及要考量的因素實際非常繁雜。工業設備中的系統級的液冷設計，甚至要結合建筑本身的特征。筆者水平有限，本章僅敘述了其中最為關鍵、與溫度控制連接最為緊密的部分。感興趣的讀者可以聯系作者，針對特定問題進行討論。
參考文獻
[1] 3M氟化液性能參數. https://www.3m.com.cn
[2] 液冷散熱系統概述. http://www.ecooling.net
[3] 劉靜, 周一欣. 芯片強化散熱研究新領域——低熔點液體金屬散熱技術的提出與發展[J]. 電子機械工程, 2006, 22(6): 9-12.
[4] 馬坤全, 劉靜. 納米流體研究的新動向[J]. 物理, 2007, 36(04): 0-0.
[5] 謝華清, 奚同庚, 王錦昌. 納米流體介質導熱機理初探[D]. 2003.
[6] 石育佳, 王秀峰, 王彥青, 等. CPU 液體冷卻器件及冷卻液材料研究進展[J]. 材料導報, 2012, 26(21): 56-60.
[7] Pacific W4 Plus RGB CPU 水冷頭. http://tw.thermaltake.com
[8] cold plates. www.Lytron.com
[9] 風力發電水冷系統. http://www.beehe.com/pro_view.asp?id=14
本篇節選自：陳繼良.從零開始學散熱.第十一章
感謝閱讀
報名培訓，參與/贊助技術交流會，申請加入熱設計平臺顧問團、加入QQ群、微信群等事宜，請掃碼添加熱設計網客服微信。
標簽： 點擊： 評論: