高性能液体冷却回路设计


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如何设计高性能系统热管理的液冷系统

嵌入式系统变得越来越复杂,处理和分析越来越多的传感器和信号。这种计算量增加的结果通常是更高和更集中的电子热负荷。由于过热会影响系统的可靠性,空气冷却不再适用于某些应用。许多工程师正在转向液体冷却来消除热量。

对于那些不熟悉这套技术的人来说,设计液体冷却系统的复杂性可能会让他们感到害怕。尽管为液体冷却回路选择热组件相对简单,但也有其他考虑因素或细微差别可以忽略。这些包括材料兼容性、防腐、冷凝控制、液体冷却回路的位置、标准零件与定制零件、接头、配件、接头的使用以及维护和服务。

液冷循环通常由液冷板、泵、热交换器和管道或软管组成(图1)。板子产生余热,余热从板子传递到导热板,然后传递到流经冷板的液冷剂。通常,流体路径匹配板上的热点。加热后的冷却剂通过热交换器被泵送,热量从冷却剂转移到周围的空气中,或者,在液体到液体的热交换器中,转移到另一种液体冷却剂中。冷却后的冷却剂通过管道或软管流回冷板,完成冷却循环。在正常运行情况下,液冷剂连续流过液冷回路,保持单板冷却。




材料兼容性

由于液冷回路中的所有材料和流体都需要作为一个系统一起工作,所以它们需要相互兼容,一起选择。由于铜具有优异的导热性,并且与大多数非腐蚀性流体兼容,因此铜在大多数应用场合都能发挥良好的作用。铝与流体兼容,如聚α烯烃(PAO)、油、乙二醇和水溶液(EGW),以及氟惰性™,一种由3M制造的电绝缘惰性全氟碳流体,用于许多电子冷却应用。不锈钢适用于大多数流体,包括腐蚀性流体,如去离子水。几种不同的流体与各种标准冷板和热交换器材料兼容(图2)。

图2:各种流体与各种标准冷板和热交换器材料兼容

材料与转移液相容性

EGW

去离子水

介电流体(例如氟惰性气体™)

合成烃(PAO)

铜管

X

X

不锈钢管

X

X

X

铝扁管或板翅片

X

X

X

X

铜平面,铜蚀刻,或铜钎焊

X

X

X

X

X

加工

X



大多数液体冷却液还需要少量添加剂来抑制腐蚀和润滑泵。然而,需要注意的是,系统中其他地方的不相容材料会使缓蚀剂失效,因此也必须对此进行评估。杀生物剂、杀藻剂和pH值调整也可能有助于维护系统,具体取决于所选择的液体冷却剂。




腐蚀预防

腐蚀可以通过两种不同的方式引起问题。不仅材料会被腐蚀,导致泄漏,而且被腐蚀的材料还会沉积在系统的其他地方,堵塞流体通道或过滤器。这会产生压降,导致冷却液流量减少。此外,如果沉积发生在主动传热表面上,污垢引起的额外热阻会使温度升高。

在液冷回路中,应尽量减少电偶腐蚀和冲蚀腐蚀。当不同的金属在电解液(如导电液体)的存在下电接触时,就会发生电偶腐蚀。大多数水基冷却剂在某种程度上是电解的。为了防止电偶腐蚀,回路应该在整个系统中使用类似的材料设计,最好只用一种金属,或者应该使用非导电流体。应考虑系统中所有材料的原电势。这不仅包括主要的热元件,还包括流体路径中的所有连接器、连接件、阀门和连接处。

侵蚀腐蚀是由于流体和金属表面的相对运动而导致的金属腐蚀速率的加速。它最常出现在弯管和弯头,管收缩和其他结构,改变流动方向或速度。腐蚀在软合金中最为普遍,如铜和铝。

减少侵蚀腐蚀的一些方法包括允许弯管具有更大的角度,逐渐而不是突然改变管道直径,以及通过去毛刺改善管道内的流线,即消除不规则。其他方法包括减少溶解氧量、改变pH值以及将管道材料换成不同的金属或合金。有关腐蚀的更多信息,请参阅我们的应用说明“冷却系统中的侵蚀腐蚀”和“避免电偶腐蚀”。




冷凝和液冷回路设计

除了尽量减少腐蚀,减少或防止凝结也是很重要的。使用低于环境温度的冷却剂的风险之一是,冷却表面可能会形成冷凝。这种凝结物会滴到电子设备上,或者在系统底部聚集,导致腐蚀。为了避免凝结,可以通过绝缘这些表面或使用更高的流体温度来保持表面温度高于环境露点。Boyd提供各种绝缘材料,如SOLIMIDE®Foam,以保持管道温度,防止冷凝和潜在的损害。

在设计和维护得当的液冷回路中,泄漏是非常不可能的。然而,为了将任何潜在泄漏的影响降到最低,储液器和液体回路可以位于电子设备下方,如果冷却剂或冷凝液滴落或喷洒在电子设备上,这些电子设备就会短路。其他选择包括在电气系统的高压部分安装液体屏蔽或屏障。

在设计液体冷却回路时,也可以选择使用标准或定制部件。每一种都有优点和缺点。如果需要更换,标准是现成的。另一方面,定制部件根据应用程序的大小、性能和设备需求进行了优化。然而,它们的交货期更长,成本也可能更高。




接头、配件和接头

冷板或热交换器中的接头数量很重要。如果有更多接头必须钎焊,则泄漏风险更高。重要的是要确保制造商在钎焊方面非常熟练,有适当的测试程序,并消除定制部件内任何不必要的钎焊点。

为了防止泄漏,必须选择正确的配件并正确使用。对于无泄漏连接,珠状管接头与用卡箍固定的软管相匹配。硬管道通常比软管更好,但软管可用于系统暴露在冲击或振动的环境中。带有直管接头的单元可以焊接到系统中,或与自锁、无扭矩接头一起使用。对于不是无滴漏的快速断开接头,在连接或断开接头时需要预料到偶尔会有液体滴。欲了解更多信息,请查看我们的应用说明“选择快速断开耦合器”。

另一种选择是使用根据SAE(美国汽车工程师协会)材料规格制造的o形环配件,或根据军事规格制造的o形环配件。这些接头可提供各种材料和尺寸,并提供可靠的无泄漏密封。Boyd的O-Ring组合和专业知识可以帮助您快速选择正确的材料、认证和尺寸,以帮助您的系统防止泄漏。




维护和服务

虽然维护和服务可能是工程师在设计液冷回路时考虑的最后一件事,但从长远来看,在设计过程中考虑这一点将有助于减少问题。必须回答几种不同类型的问题。例如:

  • 泵在使用寿命期间是否需要润滑,或者冷却液是否将执行该功能?
  • 储液器需要加满油吗?
  • 哪些组件是现场可更换的?
  • 维修计划是什么?
  • 所需的泵寿命是多少?
  • 如果需要更换泵,如何给系统充电并启动系统?


其他问题涉及用户必须做什么才能使系统重新工作。

  • 这是否需要移除电子设备和冷板,或者仅仅移除电子设备,并且两者都可以很容易地移除和更换,只需插入一个新的?
  • 如果更换冷板,是否随冷却液发货?
  • OEM是否装运充有液体的系统或现场可更换单元?
    • 如果是这样,流体的冻结可能是一个问题,例如在飞机货舱非常冷。


设计、操作和维护团队的成员都必须考虑这些问题。让所有受影响的人士参与决定,有助确保日后运作顺利。

在设计修改的标准或定制的液体冷却回路时,必须考虑材料兼容性、防腐、冷凝控制、液体冷却回路的位置、标准与定制部件、接头、接头、连接器、软管以及维护和服务要求。当适当地集成到一个系统中,液冷可以提供高效的散热和低风险。今天,数以万计的冷板和热交换器在一些最苛刻和高性能的应用中是液冷电子产品。

理查德·戈德曼和特蕾西·巴伯合著

最初发表于RTC杂志,2006年7月


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