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【干货】电子设备的液体冷却(二)

2018-12-29 10:12
可靠性杂坛
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一、冷却剂电子设备用的冷却剂特性主要有以下五个方面:① 冷却液的热特性。包括导热系数、质量定压热容、密度、黏度、膨胀系数和表面张力等。② 物理特性。使用冷却液的方便性和安全性,包括适当的沸点和冰点。对密封设备,要求冷却液的表面张力低一些。选择尽量高的闪点、燃点和自燃温度,而易燃性应尽可能地低。③ 电气特性。包括介电强度、体积电阻率、介电常数和损耗因素等。④ 相容性。与元器件的相容性要好,不产生化学反应,热稳定性要好,不易挥发。⑤ 经济性。成本要低。由于传热是一个复杂的过程,涉及的因素又如此之多,因此难以找到单项的评价标准来比较各种冷却液体的冷却效果。但可以找出某种特定工作条件下,影响传热的主要标准,并可作为一般指导原则。几种常用冷却剂性能见表1。

表1

1.直接液体冷却的冷却液由于冷却液要与电子元件直接接触,所以液体必须具有高稳定性。同时,在工作温度范围内要具有不易挥发、不发生相态变化等性能,应特别注意液体对电气性能、机械性能的影响。目前用于直接冷却的冷却液有:硅有机油、变压器油、去离子蒸馏水、C8F16O氟化液以及一些碳氟化合物等。挥发性很强的液体不宜作为冷却液,因为在热源周围易被蒸气罩住,形成很大的气膜热阻,对散热不利。2.间接液体冷却的冷却液衡量是否适宜于做间接液冷冷却液的两个主要因素是腐蚀性和热特性。由于冷却液不与电子元器件直接接触,对电性能没有影响。水是最经济有效的冷却液。为了防止水对管道的腐蚀,可在水中加缓蚀剂。为了防止水中矿物质在管道中生成水垢,可采用磁化水或去离子(钙离子、镁离子、钠离子)的蒸馏水等。二、液体冷却系统的设计液体冷却根据冷却介质的不同,可分为水冷、油冷和其他有机液体冷却等。由于水的质量定压热容大,所以当电子元器件对电气性能没有特殊要求的情况下,常采用水冷方式,这样可达冷却效率高及低成本之目的。液体冷却系统的设计计算程序如下:① 根据设备(或发热元器件)的技术条件,确定冷却系统的冷却方式并选择冷却液体,然后进行传热计算,确定冷却液体的流量和流速。② 选择二次冷却方式(热交换器形式)。根据水源、损耗功率大小以及气象资料(环境温度等)来确定热交换器的形式。当热交换容量在20kW以上,而且水源比较丰富时,可采用水-水热交换器。当热交换容量小于20kW,水源较缺时(如移动式设备),可采用水-空气热交换器。③ 分别确定热流体和冷流体的温差Δt1和Δt2。选择Δt时,既要保证能带走热量,又要保证系统启动后尽快达到工作温度。出口水温度一般不宜超过60~70℃,若温度过高,则易产生水垢而影响散热性能。对于水冷系统,一次水的温差,根据经验推荐Δt1=7~10℃;二次水的温差可取为5℃左右。④ 根据二次冷却液体的温差Δt2,由热平衡方程式确定其流量。⑤ 确定冷流体在换热器中的走向,根据其走向,分别求出在换热器中的换热系数h1和h2。⑥ 根据h1、h2及Δtm确定热交换器的KA值,并对热交换器进行结构设计或选择符合KA值的热交换器。⑦ 根据整个冷却系统的结构布置,计算系统的阻力损失,以便结合流量选择泵及电机功率的大小。对于大功率发射管的水冷系统,为了保证发热元件的热量能由热流体(一次水)有效地带走,必须合理地设计冷却阳极块的水套。水套设计的关键在于保证水套有一定的间隙δ,如图1所示。

图1⑧ 冷却水套的设计。为了使功率器件的收集极(阳极)表面热量有效地由冷却剂带走,应设计一个水套,使冷却水与收集极表面之间形成紊流状态,以达到充分的热交换。当收集极表面与水套之间形成的空间为环形间隙时,其当量直径d0=2δ,此时冷却水在环形间隙内的流速为

式中 qv——水套内冷却水流量(m3/s);δ——水套与收集极之间的间隙(m);d——器件收集极的外径(m)。设流体在间隙内形成紊流的雷诺数Re>4000,则

在环形间隙内(D-d),发热体与冷却水进行热交换的对流换热系数h为

式中 D——管的外径(m);d——器件收集极的外径(m);k——液体的导热系数(W/(m·℃))。⑨ 管路与阀的选用。为了输送和控制冷却剂的循环,在液体冷却系统中应设置必要的管路和阀门。应尽可能减少管路中阀的数量,并考虑使用操作及维修的方便。机载设备的液冷系统应采用高强度的薄壁管道与接头,以减少其尺寸和质量;对于船用及地面的液冷系统,因对质量的要求不高,则可考虑选择大型、价廉的输送管道。⑩ 液冷系统的监控与防护。在液冷系统中,对冷却剂运行过程的几个主要参数,如温度、流量和压力,必须实行监视与控制。当系统处于正常工作时,这些运行参数应能及时、准确地显示在集中控制室内,一旦某个参数出现异常,应能迅速地发出警告信号,排除故障。同时要对冷却系统进行防腐蚀设计。三、液体冷却系统的控制当热负载或工作环境条件改变时,应对冷却系统中的冷却剂的流量进行控制,从而实现对温度的调节,减少热循环对可靠性不利的影响。在浸渍式直接冷却系统中,设备相对固定,难以对冷却剂进行调节。因此,仅在强迫液体冷却系统中对冷却剂流量进行控制。根据元器件或组件对温度敏感的程度进行冷却剂流量的调节。对于敞开的系统或对热非常敏感的组件,其工作温度应控制在规定的范围内。有时需配备冷却剂的加热装置。控制的方式可分为:间断式、旁通式和连续式。通过温度传感器产生的信号,控制冷却系统中的阀门或类似装置,实现流量(温度)的控制。图2(a)为冷却系统间断控制的示意图。它通过温度传感器提供的信号,使继电器通断来控制泵或电磁阀,达到控制的目的。

图2图2(b)为冷却系统旁通控制示意图。通过温度传感器提供的信号,使继电器通断控制并联于换热器回路上的电磁阀,使冷却剂周期性地流经换热器(泵连续循环),达到控制温度的目的。图2(c)为冷却系统连续控制的示意图,由温度传感器提供连续变化的信号,使比例控制阀对节流阀实行换热器回路上流量的调节。比例传感器除激励节流阀外,还可对温度指示器进行监控。根据系统的试验和分析,确定温度传感器的调节位置和设定值。在调节范围和许用温升之间留有适当的余地。应考虑元器件与温度传感器之间因热容产生的时间滞后影响。开关型温度传感器有两个方式设定温度:接通和断开温度。接通温度应高于断开温度。接通与断开的温差,精密型温度传感器低于1℃,一般温度传感器可达10℃或更高。比例控制系统设计时,应设置一个“死区”,以防止在控制点周围产生“追逐振荡”。强迫对流系统应装设流体的流速传感器,防止电路工作时,泵(或鼓风机)不工作。系统电机(泵或风机)的电源应独立供电,使冷却剂在电子设备关机之后能继续循环,防止局部过热。

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