高性能液体冷却环设计

如何设计用于高性能系统热管理的液体冷却系统

嵌入式系统正变得更加复杂，处理和分析越来越多的传感器和信号。该增加的计算的结果通常更高，更集中电子热负荷。由于过热损害了系统的可靠性，因此空气冷却不再适用于某些应用。许多工程师转向液体冷却以除去热量。

设计液体冷却系统的复杂性可以为那些不熟悉这套技术的人令人威胁。尽管选择用于液体冷却回路的热部件相对简单，但是可以被忽略的其他考虑因素或细微差别。这些包括材料兼容性，防腐蚀，冷凝控制，液体冷却回路的位置，使用标准与定制部件，接头，配件，连接器和维护和服务。

液体冷却回路通常由液体冷板，泵，热交换器和管道或软管组成（图1）。该板产生废热，该热量从电路板转移到导热板，然后到流过冷板的液体冷却剂。通常，流体路径与板上的热点匹配。然后将加热的冷却剂泵送通过热交换器，其中热量从冷却剂移动到环境空气，或者在液体 - 液体热交换器的情况下，进入另一个液体冷却剂。然后冷却的冷却剂流过管道或软管回到冷板，完成冷却回路。在正常操作下，液体冷却剂连续流过液体冷却回路以保持板冷却。

材料兼容性

由于液冷回路中的所有材料和流体需要作为一个系统一起工作，它们需要相互兼容，一起选择。铜适用于大多数应用场合，因为它具有极好的导热性，并且与大多数非腐蚀性流体兼容。铝与聚阿尔法烯烃(PAO)、油、乙二醇和水溶液(EGW)以及Fluorinert™(3M公司生产的一种电绝缘惰性全氟碳流体，用于许多电子冷却应用)等流体兼容。不锈钢与大多数流体兼容，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

材料与转移流体兼容性	水	egw.	去离子水	油	介电流液（Ex。Fluorinert™）	聚脯氨酸（Pao）
铜管	X	X
不锈钢管	X	X	X
铝平板管或板翅		X		X	X	X
铜平，铜蚀刻或铜钎焊	X	X		X	X	X
加工			X

大多数液体冷却剂也需要百分之一的添加剂来抑制腐蚀并润滑泵。然而，重要的是要注意，可以通过系统其他地方的不相容材料使腐蚀抑制剂无效，因此必须评估这一点。杀生物剂，藻类和pH调节也可能有助于维持系统，这取决于选择哪种液体冷却剂。

防腐

腐蚀可能导致问题两种不同的方式。材料不仅可以腐蚀，这导致泄漏，但是腐蚀材料可以在系统中的其他地方沉积并阻挡流体通道或过滤器。这可以产生导致冷却剂流量减少的压降。另外，如果沉积发生在有源传热表面上，则污垢引起的额外热阻可以使温度升高。

在液体冷却回路中应尽量减少电流腐蚀和腐蚀腐蚀。当不同金属在电解质如导电液体的情况下彼此电接触时发生电抗腐蚀。大多数水基冷却剂在某种程度上是电解的。为了防止电抗腐蚀，环应在整个系统中具有类似的材料，理想情况下仅用一种金属，或者应使用非导电流体。应考虑系统中所有材料的电流潜力。这不仅包括主要热部件，还包括流体路径中的所有连接器，配件，阀门和连接点。

由于流体和金属表面的相对运动，腐蚀腐蚀是金属腐蚀速率的加速度。它通常在管弯和肘部，管收缩和改变流动方向或速度的其他结构中找到。腐蚀腐蚀在软合金中最普遍，例如铜和铝。

一些最小化腐蚀腐蚀的方法包括允许弯曲具有较大的角度，逐渐更换管道直径而不是突然地通过去毛刺改善管道内的流线，即平滑违规行为。其他方法包括减少溶解氧的量，改变pH，并将管材切换到不同的金属或合金。有关腐蚀的更多信息，请参阅我们的应用笔记“冷却系统中的侵蚀腐蚀”和“避免电流腐蚀”。

冷凝和液体冷却回路设计

除了减少腐蚀外，减少或防止冷凝也很重要。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凝结。这种凝结会滴到电子设备上，或者聚集在系统的底部，导致腐蚀。为了避免凝结，表面温度可以保持在环境露点以上，通过隔离这些表面或使用更高的流体温度。博伊德提供各种绝缘材料，如SOLIMIDE®Foam，以保持线路温度，防止冷凝和潜在的损害。

在适当设计和维护的液体冷却回路中，泄漏非常不可能。然而，为了使任何潜在泄漏的效果最小化，储存器和液体回路可以位于电子设备下方，如果冷却剂或滴落或喷涂在它们上，则会断开。其他选项包括在电气系统的高压部分上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。每种方法都有优点和缺点。如果需要替换，标准是现成的。另一方面，定制部件根据应用程序的大小、性能和设备要求进行了优化。然而，他们将有更长的交货期和可能有更高的成本。

关节，配件和连接器

冷板或热交换器中的关节数很重要。当有更多的关节必须钎焊时，泄漏风险较高。重要的是要确保制造商在钎焊技术方面很高兴，具有适当的测试程序，并消除了自定义组件中的任何不必要的钎焊点。

为防止泄漏，必须选择右配件并正确使用。对于无泄漏接头，具有用夹具固定的软管的串状管配合配合。硬管通常优选软管，但是可以在系统暴露于冲击或振动的环境中使用软管。具有直管配件的单元可以焊接到系统中或与自锁，无锁定的配件一起使用。使用快速断开连接器，无滴滴，您需要期待连接或断开配件时偶尔流体。有关更多信息，请查看我们的应用笔记“选择快速断开耦合器”。

另一种选择是使用o形圈配件，这些o形圈配件是按照汽车工程师协会(SAE)的材料规格制造的，或者是按照军事规格制造的。这些配件有各种材料和尺寸可供选择，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确保您快速选择正确的材料、认证和大小，以帮助防止系统内的泄漏。

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最后考虑的事情，但在设计过程中考虑这一点将有助于减少长期问题。必须回答几种不同类型的问题。例如:

• 泵是否需要在其生命中润滑，或者是冷却剂要执行该功能吗？
• 储液器需要填满吗?
• 哪些组件是可替换的？
• 维修计划是怎样的?
• 什么是所需的泵寿命？
• 如果需要泵更换，如何将系统充电并启动系统？

其他问题涉及用户必须做些什么来让系统再次工作。

• 这是否需要取出电子和冷板，或只是电子设备，并且可以通过在新的新手中轻松移除和更换，并且可以通过捕捉？
• 如果更换冷板，将与冷却液一起装运吗？
• OEM是否船舶填充有流体的系统或可更换单元？
  • 如果是这样，流体的冻结可能是一个问题，比如飞机货舱非常冷。

这些问题必须由设计，运营和维护团队的成员考虑。涉及所有受影响的个人决定将有助于确保未来的顺利运营。

材料兼容性、防腐蚀、冷凝控制、液体冷却回路的位置、标准与定制部件、接头、配件、连接器、软管以及维护和服务要求都必须在设计修改后的标准或定制液体冷却回路时考虑。当适当地集成到系统中时，液体冷却可以提供低风险的高效散热。今天，成千上万的冷板和热交换器是液体冷却电子产品在一些要求最高和高性能的应用。

由Richard Goldman和Tracey Barber撰写

原来发表于2006年7月的RTC杂志