電子冷板設(shè)計(jì)

1、 電 子 設(shè) 備 熱 設(shè) 計(jì)第四篇 液 體 冷 卻 與 冷 板 技 術(shù)2液體冷卻直接液冷間接液冷浸沒(méi)、無(wú)攪動(dòng)、無(wú)蒸發(fā)浸沒(méi)、有攪動(dòng)、有蒸發(fā)冷板(單流體熱交換器)強(qiáng)迫液冷液冷分類(泵、熱交換器、流體、通道)FC88C5112R113FC78FC77FC75常用冷卻液3冷卻液性質(zhì)v 直接浸沒(méi)液的物性參數(shù)沸點(diǎn)/汽化熱/Jg1密度/gcm3導(dǎo)熱系數(shù)/Wm1.1比熱/Jg1.1粘度/m2s1表面張力/Nm1介電常數(shù)體積熱膨脹系數(shù)/1熱特性及熱穩(wěn)定性介電特性化學(xué)穩(wěn)定性安全性(自燃)v 冷卻液的品質(zhì)因數(shù) 、準(zhǔn)則因數(shù)v 冷卻液的防凍（60乙二醇40水， 40 不凍 ）4冷卻劑的品質(zhì)因數(shù)及準(zhǔn)則因數(shù) 冷卻劑密度(k

2、g/m3)；k 導(dǎo)熱系數(shù)(W/m)；CP 比熱(J/kg)； 體積膨脹系數(shù)(1/)；動(dòng)力粘度(kg/m) 222p221CP層流：8 . 232.8p22 . 031CP紊流：2 . 02 . 00.2p6 . 04 . 01Ck自然對(duì)流(104Gr108) 5.0p2C強(qiáng)迫對(duì)流，小雷諾數(shù)，層流狀態(tài) 07. 0p72. 03C強(qiáng)迫對(duì)流，Re106的紊流狀態(tài) 5常用冷卻劑的物理性質(zhì)6間接液冷例析芯片組導(dǎo)熱模塊20 W/cm2 24 冷卻水入口溫度芯片表面溫度59 7液冷示例8筆記本液冷示例9強(qiáng)迫液冷系統(tǒng)的組成冷卻液、液流管道、泵、換熱器、系統(tǒng)控制保護(hù)裝置一次水(熱流體)二次水(冷流體)10液冷系

3、統(tǒng)實(shí)物圖11熱交換器列管間壁式緊湊式冷板真空釬焊技術(shù)12幾種常見(jiàn)熱交換器13熱交換器設(shè)計(jì)-兩種流體、三個(gè)方程、四種溫度11p1m1ttCq 2 2p2m2ttCq mtKA熱流體的熱平衡方程 冷流體的熱平衡方程 系統(tǒng)換熱方程 熱流體和冷流體的質(zhì)量流量(kg/s)； 比熱(J/kg)； 分別為熱、冷流體進(jìn)口和出口溫度()； 熱交換器的傳熱系數(shù)(W/m2)； 傳熱面積(m2)； 對(duì)數(shù)平均溫差()。m1qm2qp1Cp2C1t1t 2t2t mtKA14對(duì)數(shù)平均溫差 mlnttttt 入口處的溫差(順流)；出口處的溫差(順流)。 tt 其他流動(dòng)組合，參考相關(guān)修正系數(shù)15對(duì)數(shù)平均溫差法的計(jì)算步驟 根據(jù)

4、已知條件，由熱平衡方程式求出另一個(gè)未知溫度； 由冷、熱流體的四個(gè)進(jìn)出口溫度，求出對(duì)數(shù)平均溫差 若是叉流、混合流形式，則要注意修正系數(shù) 的計(jì)算； 初步布置換熱面，并計(jì)算相應(yīng)的傳熱系數(shù)； 由系統(tǒng)傳熱方程式，求出所需之換熱面積A，并核算兩 側(cè)流體的流動(dòng)阻力； 若流動(dòng)阻力過(guò)大，則應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。mtt16有效度() 2111tttt 2122tttt 21minpmttCq 傳熱單元數(shù)(NTU) 流體之間平均溫差為流體之間平均溫差為11時(shí)的換熱量與最小熱容量時(shí)的換熱量與最小熱容量 的流體在溫度變化的流體在溫度變化1 1 時(shí)的換熱之比，即時(shí)的換熱之比，即 minpmCqminpmNTUCqKA熱交換器中

5、實(shí)際換熱量熱交換器中實(shí)際換熱量與最大可能換熱量與最大可能換熱量( (溫溫差最大差最大) )之比值之比值 當(dāng)當(dāng) 已知時(shí)，可根據(jù)兩種流體的進(jìn)已知時(shí)，可根據(jù)兩種流體的進(jìn)口溫度計(jì)算熱交換器的換熱量口溫度計(jì)算熱交換器的換熱量熱交換器的-NTU 計(jì)算方法17熱交換器的-NTU 計(jì)算方法 計(jì)算傳熱系數(shù)K； 計(jì)算NTU及值； 計(jì)算或查相應(yīng)圖表得值； 計(jì)算傳熱量； 利用熱平衡方程式計(jì)算和。采用-NTU法對(duì)熱交換器進(jìn)行校核計(jì)算 的步驟：18液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇冷卻液體，確定冷卻液體(一次)的流量和流速 確定其熱交換器的形式 20kW以上 水水熱交換器， 小于20kW 水空氣熱交換器。確定熱流體和冷流體的溫差 1tt

6、2根據(jù)二次冷卻液體的溫差，由熱平衡方程式確定其流量 確定冷流體在換熱器中的換熱系數(shù)確定熱交換器的KA值 ，選擇符合KA值的熱交換器 計(jì)算系統(tǒng)的阻力損失，結(jié)合流量選擇泵及其電機(jī) 冷卻陽(yáng)極塊水套的設(shè)計(jì)19氣冷式冷板概述冷板是一種單流體熱交換器，具有較大的換熱面積(肋),流體通道的當(dāng)量直徑較小,換熱系數(shù)較高。 15.5 45 23mW10液冷式20冷板實(shí)例16個(gè)晶體管用螺栓直接安裝在水冷冷板上，每個(gè)晶體管的功耗為37.5W，總功耗為600W。已知水的入口溫度為35，水的流量為6.3105，冷卻水管道內(nèi)徑為8mm，試計(jì)算晶體管管殼表面溫度。 21冷板的設(shè)計(jì)與計(jì)算m0tAh12pmttCqH 對(duì)流換熱系

7、數(shù)(W/m2)； 冷板總效率；A 參與對(duì)流換熱的面積(m2)；t m對(duì)數(shù)平均溫差()； 冷卻劑質(zhì)量流量(kg/s)；Cp冷卻劑定壓比熱(J/kg)； 冷卻劑入口溫度()； 冷卻劑出口溫度()。mq1t2t均溫冷板溫度曲線2s1s12mlnttttttt對(duì)數(shù)平均溫差 22冷板的設(shè)計(jì)與計(jì)算冷板的換熱系數(shù) 32pPr JGChh冷板的換熱系數(shù)(W/m2)；J考爾本數(shù)，根據(jù)肋片的結(jié)構(gòu)形式，可查圖；G單位面積的質(zhì)量流量(kg/sm2)；Cp冷卻劑的定壓比熱(J/kg)； Pr普朗特?cái)?shù)。式中 c蓋板的效率； f肋片的效率； b底板的效率。bbffcc0AAAAAA冷板的總效率2s1sNTUetttt傳熱單

8、元數(shù)pm0NTUCqAhGB-T-15423-A1988年發(fā)布23冷板的校核計(jì)算已知條件：冷板的結(jié)構(gòu)尺寸、肋片參數(shù)、冷卻劑流量、已知條件：冷板的結(jié)構(gòu)尺寸、肋片參數(shù)、冷卻劑流量、 通道當(dāng)量直徑和通道截面積以及總換熱面積通道當(dāng)量直徑和通道截面積以及總換熱面積A等等 pmCqt 21e2m1c21c1211212KAAfKGPGdRec24冷卻劑壓力損失計(jì)算25冷板結(jié)構(gòu)示例26冷板結(jié)構(gòu)示例27微通道冷板28冷板結(jié)構(gòu)示例29冷板結(jié)構(gòu)示例30液冷系統(tǒng)的其他問(wèn)題 系統(tǒng)的監(jiān)控溫度、流量、壓力、熱參數(shù)、安全報(bào)警系統(tǒng)等溫度、流量、壓力、熱參數(shù)、安全報(bào)警系統(tǒng)等 二次冷卻液(外循環(huán)水)的防凝露 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免冷卻液

9、積聚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中避免冷卻液積聚 選材選材(防腐防腐) 灌封灌封 提高冷卻水的出口溫度。提高冷卻水的出口溫度。 電 子 設(shè) 備 熱 設(shè) 計(jì)相 變 冷 卻32相變冷卻 相變冷卻的材料 利用石蠟族(CnH2n+2)材料升華升華過(guò)程中所需要的熔解熱熔解熱 達(dá)到吸收電子器件耗熱的目的。直接浸沒(méi)式相變冷卻(消耗性與非消耗性)間接式相變冷卻(與發(fā)熱器件不直接接觸）汽水兩相流冷卻系統(tǒng) 相變材料的發(fā)展與應(yīng)用 本質(zhì) 利用各種物質(zhì)的相態(tài)改變，伴隨能量的釋放和吸收。利用各種物質(zhì)的相態(tài)改變，伴隨能量的釋放和吸收。 分類33相變材料 根據(jù)電子器件控制溫度的需要，選擇不同熔點(diǎn)的相變材料。 相變材料可分為 揮發(fā)式、回收式揮發(fā)式

10、、回收式 兩種。 可逆式儲(chǔ)熱冷板 美國(guó)早期的阿波羅15月球車采用了 等相變材料。3818HC4220HC6230HC熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：66 3818HC熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：28 4220HC熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：37 34相變冷卻的關(guān)鍵技術(shù)v 沸騰冷卻劑的選用 (高導(dǎo)熱、電絕緣)v 浸沒(méi)式冷卻系統(tǒng)中，合理設(shè)計(jì)器件表面形狀，有利于形成 紊流，并防止形成蒸汽膜層。v 凝汽器 (熱交換器) 的設(shè)計(jì)v 壓力效應(yīng)與溫度控制問(wèn)題 (汽化熱，表面張力)35蒸發(fā)冷卻swttt 加熱面處水的溫度()； 水的飽和溫度()。 wtst汽化 蒸發(fā) 僅在液體自由表面上進(jìn)行、在各種溫度都能發(fā)生 沸騰 不僅在液面， 在液體內(nèi)部同時(shí)進(jìn)行，與過(guò)熱溫度

11、過(guò)熱溫度有關(guān)的汽化 核態(tài)沸騰， 膜態(tài)沸騰水沸騰時(shí)，熱流密度、換熱系數(shù)h與溫差的關(guān)系 36蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用 幾種常見(jiàn)的浸沒(méi)式 蒸發(fā)冷卻形式 37蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成 不同冷卻方式下的電子管陽(yáng)極結(jié)構(gòu) 38發(fā)射管與蒸發(fā)鍋發(fā)射管與蒸發(fā)鍋的配合形式 蒸發(fā)冷卻發(fā)射管的陽(yáng)極結(jié)構(gòu) 電 子 設(shè) 備 熱 設(shè) 計(jì)制 冷 與 恒 溫 技 術(shù) 概 述40制 冷 綜 述一一 冷和熱是物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng)能的標(biāo)征。日常生活中常說(shuō)的“熱”或“冷”是指溫度高低的相對(duì)概念，是人體對(duì)溫度高低感覺(jué)的反應(yīng)。 在制冷技術(shù)中所說(shuō)的冷，是指某空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)（如水或空氣）溫度而言。因此“制冷”就是使

12、某一空間內(nèi)物體的溫度低于周圍環(huán)境介質(zhì)的溫度，并連續(xù)維持這樣一個(gè)溫度的過(guò)程。 制冷的方法很多，可分為物理方法和化學(xué)方法。但絕大多數(shù)為物理方法。目前人工制冷的方法主要有相變制冷、壓縮制冷和半導(dǎo)體制冷三種。41圖1 制冷機(jī)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系(a) 以電能或機(jī)械能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī) (b) 以熱能驅(qū)動(dòng)的制冷機(jī)圖例422.2.2 相變制冷 物質(zhì)相變制冷是利用液體在低溫下的蒸發(fā)過(guò)程及固體在低溫下的熔化或升華過(guò)程向被冷卻物體吸收熱量-即制冷量。因此，相變制冷分為液體氣化制冷與固體熔化與升華制冷，如冰融化時(shí)要吸取80 kcal/kg的熔解熱；氨在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氣化時(shí)要吸取327kcal/kg的氣化潛熱；干冰在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下

13、升華要吸取137kcal/kg的熱量，其升華溫度為78.9。目前干冰制冷常被用在人工降雨和醫(yī)療上。43壓縮制冷n氣體絕熱膨脹制冷 利用氣體通過(guò)節(jié)流閥或膨脹機(jī)絕熱膨脹時(shí)，對(duì)外輸出膨脹功，同時(shí)溫度降低，達(dá)到制冷的目的。蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器組成，用管道將它們連接成一個(gè)密封系統(tǒng)。制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)以低溫與被冷卻對(duì)象發(fā)生熱交換，吸收被冷卻對(duì)象的熱量并氣化，產(chǎn)生的低壓蒸汽被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮后以高壓排出。壓縮機(jī)排出的高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)冷凝器，被常溫的冷卻水或空氣冷卻，凝結(jié)成高壓液體。高壓液體流經(jīng)膨脹閥時(shí)節(jié)流，變成低壓低溫的氣液兩相混合物，進(jìn)入蒸發(fā)器，其中的液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中蒸發(fā)制冷，產(chǎn)生的低壓蒸汽再次被壓縮機(jī)吸入。如此周而復(fù)始，不斷循環(huán)。442.3 恒溫技術(shù)q 熱隔離技術(shù)q 控溫技術(shù) 主要是為了保持晶體振蕩器的高穩(wěn)定度(例如：通訊 機(jī)中的晶振的穩(wěn)定頻率為1012) 而采取的措施。 關(guān)鍵技術(shù)是提供一套精確的控制系統(tǒng)(含電路)45習(xí)題 肋管式熱交換器，加熱流量為2.36的空氣，使其溫度從