液體冷卻與冷板技術(shù)

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)第四篇液體冷卻與冷板技術(shù)1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(lèi)(泵、熱交換器、流體、通道)FC–88C51–12R113FC–78FC–77FC–75常用冷卻液2冷卻液性質(zhì)直接浸沒(méi)液的物性參數(shù)沸點(diǎn)/℃汽化熱/J·g–1密度/g·cm–3導(dǎo)熱系數(shù)/W·m–1.℃–1比熱/J·g–1.℃–1粘度/m2·s–1表面張力/N·m–1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)冷卻液的品質(zhì)因數(shù)、準(zhǔn)則因數(shù)冷卻液的防凍（60％乙二醇＋40％水，－40℃不凍）3冷卻劑的品質(zhì)因數(shù)及準(zhǔn)則因數(shù)——冷卻劑密度(kg/m3)；k——導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·℃)；CP——比熱(J/kg·℃)；

——體積膨脹系數(shù)(1/℃)；——?jiǎng)恿φ扯?kg/m·℃)

自然對(duì)流(104≤Gr≤108)

強(qiáng)迫對(duì)流，小雷諾數(shù)，層流狀態(tài)

強(qiáng)迫對(duì)流，Re106的紊流狀態(tài)

4常用冷卻劑的物理性質(zhì)5間接液冷例析—芯片組導(dǎo)熱模塊20W/cm2

24℃冷卻水入口溫度芯片表面溫度59℃

6液冷示例7筆記本液冷示例8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)9液冷系統(tǒng)實(shí)物圖10熱交換器列管間壁式緊湊式冷板真空釬焊技術(shù)11幾種常見(jiàn)熱交換器12熱交換器設(shè)計(jì)-------兩種流體、三個(gè)方程、四種溫度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(℃)。KA13對(duì)數(shù)平均溫差——入口處的溫差(順流)；——出口處的溫差(順流)。

其他流動(dòng)組合，參考相關(guān)修正系數(shù)14對(duì)數(shù)平均溫差法的計(jì)算步驟根據(jù)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)。15有效度()

傳熱單元數(shù)(NTU)

流體之間平均溫差為1℃時(shí)的換熱量與最小熱容量的流體在溫度變化1℃時(shí)的換熱之比，即

熱交換器中實(shí)際換熱量與最大可能換熱量(溫差最大)之比值

當(dāng)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熱交換器的-NTU

計(jì)算方法16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：17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

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)18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。15.545

液冷式19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37.5?W，總功耗為600?W。已知水的入口溫度為35?℃，水的流量為6.3×10–5?，冷卻水管道內(nèi)徑為8?mm，試計(jì)算晶體管管殼表面溫度。

20冷板的設(shè)計(jì)與計(jì)算H——對(duì)流換熱系數(shù)(W/m2·℃)；——冷板總效率；A——參與對(duì)流換熱的面積(m2)；tm——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(℃)。均溫冷板溫度曲線對(duì)數(shù)平均溫差

21冷板的設(shè)計(jì)與計(jì)算冷板的換熱系數(shù)

h——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/s·m2)；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。冷板的總效率傳熱單元數(shù)GB-T-15423-A

1988年發(fā)布22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、

通道當(dāng)量直徑和通道截面積以及總換熱面積A等

23冷卻劑壓力損失計(jì)算24冷板結(jié)構(gòu)示例25冷板結(jié)構(gòu)示例26微通道冷板27冷板結(jié)構(gòu)示例28冷板結(jié)構(gòu)示例29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)中避免冷卻液積聚選材(防腐)

灌封提高冷卻水的出口溫度。30電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)相變冷卻31相變冷卻相變冷卻的材料利用石蠟族(CnH2n+2)材料升華過(guò)程中所需要的熔解熱達(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。分類(lèi)32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、回收式兩種?？赡媸絻?chǔ)熱冷板

美國(guó)早期的阿波羅15＃月球車(chē)采用了等相變材料。熔點(diǎn)：66℃熔點(diǎn)：28℃熔點(diǎn)：37℃33相變冷卻的關(guān)鍵技術(shù)沸騰冷卻劑的選用(高導(dǎo)熱、電絕緣)

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。凝汽器(熱交換器)的設(shè)計(jì)壓力效應(yīng)與溫度控制問(wèn)題(汽化熱，表面張力)34蒸發(fā)冷卻——加熱面處水的溫度(℃)；——水的飽和溫度(℃)。

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

35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

36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)

37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)

38電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)制冷與恒溫技術(shù)概述39制冷綜述一

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?chē)h(huán)境介質(zhì)（如水或空氣）溫度而言。因此“制冷”就是使某一空間內(nèi)物體的溫度低于周?chē)h(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。40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412.2.2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80kcal/kg的熔解熱；氨在１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１標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下升華要吸取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。

42壓縮制冷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)。432.3恒溫技術(shù)熱隔離技術(shù)

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10－12)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)44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15.5?℃升至29.4?℃，熱水的進(jìn)口溫度為82.2?