设计定制液体冷板

专门为您的应用制作冷板的注意事项

液冷板为高功率电子设备提供卓越的冷却性能,可以作为标准产品购买,也可以定制设计。当有特殊形状或接口要求或极端性能要求时,需要定制冷板。当指定的性能不能均匀地应用于整个冷板,或者合规冷板的压降和/或成本过高时,就会发生极端的性能要求。热图或热负荷分布可能具有一个或多个具有高热负荷的区域。如果有压降要求,冷板表面温度均匀性要求,特殊形状或接口要求,或者成本限制消除了标准的冷板设计,那么定制冷板就是解决方案。了解冷板技术、热规格以及设计过程中涉及的步骤将有助于优化定制冷板设计,从而提供最佳价值。

冷板技术

性能需求通常决定了冷板技术和设计的选择,而冷板技术会影响冷板成本。通常,冷板成本将随着性能提高而增加。冷板技术包括Press-Lock™管式、Hi-Contact™、具有或不具有扩展管的枪钻式、槽式,以及具有内部翅片的钎焊式。

这些技术按照造成冷板效率和成本增加的突出程度的顺序列出:

Press-Lock™管式冷板

Press-Lock™管式冷板具有压入槽形铝挤压型材中的铜或不锈钢管(参见图2)。定制的管式冷板几乎可以按任何形状或大小设计并且可以定制设计流体路径以实现最佳的散热性能。还可以加入定制的涂层、机加工、钻孔和攻丝。

图 2:此 Press-Lock™ 冷板使用逆流通过两层不同的管来平均温度
6 次高接触冷板

高接触™液体冷板

Hi-Contact™液冷板利用板内获得专利的压管几何形状来提供高效的热传递。这项技术优化了管与冷却表面的接触面积,以传递最多的热量到液体中。Hi-Contact™构造最大程度地降低了热环氧树脂粘合线的厚度,从而使更多的热量从铝板传递到管中。管可采用铜、铝和不锈钢,它们可根据应用针对各种流体路径和直径进行定制。

枪钻式冷板

枪钻式冷板是通过穿透铝板钻孔,并且在适用时插入和扩展铜管或不锈钢管而制成的。这产生可以钻孔或攻丝的双面冷板。枪钻式冷板的一个额外优势在于,与管式冷板相比,它们具有更严格的公差,专门用于满足平整度需求(图3)。

图3:枪钻定制冷板
图 4:带梯形图配置的自定义通道冷板
图 5:自定义通道冷板

槽式冷板

槽式冷板是具有多槽、机加工槽,或其它方法成型槽的挤出件。挤出工艺只能提供直槽,但机加工和其它新型金属切割方法可以提供更高效的形状。槽式冷板可以按任何长度制造并且呈梯形构型组装或集成到底板中以实现大面积冷却(图4)。还可以对它们进行转化涂布或阳极化处理以增加保护。已经针对所需阻抗、压降和流量的不同范围开发了若干种槽型(图5)。

内部翅片式钎焊冷板

内部翅片式钎焊冷板由两块与内部翅片冶金粘结在一起的板组成。它们可以用各种翅片密度和形状(平面式、百叶窗式、偏移开缝式等)进行真空钎焊。这种内部翅片(诸如CP30冷板内的翅片)增加了宝贵的热传递表面并增加了流体的湍流。钎焊式冷板通常具有最大的设计灵活性。(参见图6)。

图 6:CP30 内部翅片的视图

液冷板设计过程中的主要散热注意事项

冷板散热规格

除了四种类型的冷板技术外,还存在下列四种散热需求情景:

  • 均匀热通量、固定流速、1个最大压降、1个最大表面温度 -在第一种散热情景下,存在均匀的输入热通量、一个固定流速、一个在固定流速下限制的指定最大压降,以及一个不需要表面温度均匀的指定最大表面温度。
  • 与1相同,但不均匀的热通量-第二种散热情景具有与第一种相同的规格,但热负荷会有变化而不是均匀的。热负荷集中在组件下或特定区域下的多个位置。
  • 与1相同,但表面温度最大值有变化-第三种散热情景也具有与第一种相同的规格,但是第三种指定了在整个冷板上都变化不一的最大表面温度,通常各个组件的温度各不相同。
  • 与1、2或3相同,但需要均匀的表面温度-在第四种散热情景下,散热规格可能与第一、二或三种相同,但另有其他要求:在整个冷板上或特定组件下,最大表面温度必须均匀。例如,如果在冷板上安装两种类型的组件,则每种组件类型的共用组件必须具有均匀温度,但是两种类型可能具有不同的最大表面温度。

冷板第2和3种散热情景是定制冷板设计中最常遭遇的情景。按复杂性和成本增加的顺序列出第1到4种情景。

在设计任何规格的定制冷板时,大多数散热专家所采取的逻辑步骤是定义热图,生成液体回路概念,计算温度升高和压降,并且在必要时改变液体回路路线。

定义热图

基于几种可能的散热情景,定制冷板设计中的第一步是详细定义热图。为了创建热图,工程师需要待冷却组件的尺寸、位置和热负荷。还需要最大允许冷板表面温度; 冷却液组成、其流速和入口温度; 以及可用的压降。另外,如果组件具有必要的热扩散,则必须计算每个组件的热通量。

液冷板设计过程中的主要流体注意事项

形成液体回路概念

下一步是基于液体回路概念形成第一次迭代。液体回路必须提供必要的性能,以冷却液体回路上具有最高热通量的组件及其后的每个组件。另外,液体回路必须在指定的流速和可接受的压降下实现这些性能。有时可以使用诸如液体串联通路不均匀的宽度、各个组件下翅片的不同密度,以及翅片的不同高度和类型等技术来满足性能和压降的竞争性需求。翅片的几何形状和高度决定了“翅片效率”,或者它向液体传递热量的效果。

有时,高热通量组件的形状(例如,大的圆形覆盖区域)需要改变路径宽度上自然的均匀流量分布,强制形成不均匀的分布,这可以通过在路径宽度上使用不同长度的翅片或不同的翅片密度来实现。在下一个组件之前,应设计一些液体均衡池(即混合池)。另一个流体分布挑战是需要在流体路径中设置岛以容纳组件安装。上文提及的任何复杂因素都会增加冷板的成本,原因是需要增加翅片件数量、腔中的多个深度、多个翅片成型设备安装以及EDM切割。

计算温度和压降(详细的设计阶段)

在概述液体回路概念之后,应通过计算每个组件下的最大表面温度并计算总压降来验证热图。必须对所有关键的散热区域建模。如果有任何一项需求未获满足,则必须重新设计液体回路并重新进行计算。

重新排布液体回路

如果冷板需要变化的最大表面温度(如第三种散热情景)且正常的液体回路不满足规格,则应重新排布液体回路,以将最冷的液体首先输送至关键设备或直接将部分液体旁通到这些组件中。

温度均匀性

如果和在第四种散热情景中一样,冷板需求指定最大表面温度和温度均匀性,则设计过程甚至更加复杂。提供相同组件最大表面温度均匀性的最简单解决方案是将这些组件放置在相似的并联液体通道的相似点上。结果应该是以足够流速向这些组件输送具有共同温度的液体的回路。在整个冷板上提供更均匀的表面温度的另一种技术是使用逆流布置(图2)。在多个并联通道中,在板的表面或两侧,每个第二通道沿相反方向流动。对于单侧负荷或极薄的冷板,这种方法可能会显著降低表面温度梯度。可以通过安排两个分离液体层产生相似的效果。

降低复杂性和成本

某些散热或机械需求可能会迫使产生液体回路不合逻辑的路径,从而增加复杂性和冷板成本。例如,应用经常具有液体回路必须绕过的预定安装孔位置,和/或固定的组件以及流体入口和出口位置,这就严重限制了液体回路的选择。通常,设计越灵活,冷板设计就越容易,并且将实现更多的成本节省。通过与印刷电路板设计师或电气工程师密切合作,散热工程师可以提供有关组件间距和位置的信息,以确保他们在设计时考虑到电和热需求。这可以显著简化冷板设计并降低成本。有关冷板成本的更多信息,请参见我们的应用说明“冷板制造成本动因”。

务必要了解使定制冷板解决方案能够满足最具挑战性的散热和机械需求的各种设计技术。定制冷板设计有数千种排列,熟练的工程技术是关键。入口和出口位置的灵活性、合适的流体回路路线设计,以及翅片或通道的使用可以帮助建立一种为应用提供最佳价值的散热解决方案。随着热负荷越来越集中并且分配给冷却的空间越来越小,定制冷板将越来越多地用于满足应用独特的液体冷却需求。宝德(Boyd)公司的散热业务爱美达(Aavid)拥有数十年为印刷电路板和其它电子产品设计和制造定制冷板并确保满足或超过其高散热性能需求和成本限制的经验。

在我们的液冷板部分了解有关我们不同液冷板解决方案的更多信息。

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