高性能液体冷却回路设计

如何设计高性能系统热管理的液体冷却系统

嵌入式系统变得越来越复杂,处理和分析越来越多的传感器和信号。这种增加的计算的结果通常是更高和更集中的电子热负荷。由于过热会损害系统的可靠性,因此空气冷却对于某些应用不再足够。许多工程师正在转向液体冷却来消除热量。

对于不熟悉这组技术的人来说,设计液体冷却系统的复杂性可能令人生畏。尽管为液体冷却回路选择热元件相对简单,但还有其他可忽略的注意事项或细微差别。其中包括材料兼容性、防腐蚀、冷凝控制、液体冷却回路的位置、标准部件与定制零件的使用、接头、接头、接头、连接器以及维护和服务。

液体冷却回路通常由液体冷板、泵、换热器以及管道或软管组成(图 1)。板产生余热,从板转移到导热板,然后输送到流经冷板的液体冷却液。通常,流体路径与电路板上的热点匹配。然后,加热的冷却液通过热交换器泵送,热量从冷却液转移到环境空气,或者,在液体到液体换热器的情况下,将热量输送到另一个液体冷却液。然后冷却冷却液通过管道或软管流回冷板,完成冷却回路。在正常操作下,液体冷却液持续流经液体冷却回路,以保持电路板冷却。

图像

材料兼容性

由于液体冷却回路中的所有材料和液体都需要作为一个系统协同工作,因此它们需要彼此兼容,并且应该一起选择。铜适用于大多数应用,因为它具有优异的导热性,并且与大多数非腐蚀性流体兼容。铝与聚一醇酮 (PAO)、油、乙二醇和水溶液 (EGW) 等流体以及氟™(一种由 3M 制造且用于许多电子冷却应用的电绝缘惰性全氟碳流体)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

大多数液体冷却液还需要少量添加剂来抑制腐蚀和润滑泵。然而,需要注意的是,在系统的其他位置,不兼容的材料可能会使缓蚀剂失效,因此也必须对此进行评估。根据选择哪种液体冷却液,杀菌剂、藻类和pH调整也可能有助于维护系统。

材料 + 输送流体兼容性

EGW

去离子水

介电流体(例如氟™)

聚α烯烃(PAO)

铜管

不锈钢管

铝平管或板翅

铜平、铜蚀刻或铜-铜- 铜- 铜- 铜-

机械加工

防腐

腐蚀会导致问题两种不同的方式。材料不仅会腐蚀掉,从而导致泄漏,而且腐蚀的材料可以沉积在系统的其他位置,并阻塞流体通道或过滤器。这会产生压降,导致冷却液流量减少。此外,如果沉积发生在有源传热表面上,结垢引起的额外耐热性会使温度升高。

在液体冷却回路中,应尽量减少电腐蚀和侵蚀腐蚀。当异类金属在电解质(如导电液体)存在时相互电接触时,就会发生电腐蚀。大多数水性冷却液在一定程度上都是电解的。为了防止电腐蚀,循环应在整个系统中使用类似的材料进行设计,理想情况下,应仅使用一种金属,或者应使用非导电流体。应考虑系统中所有材料的电位。这不仅包括主要热部件,还包括流体路径中的所有接头、接头、阀门和结。

侵蚀腐蚀是由于流体和金属表面的相对运动而金属腐蚀速率的加速。它最常出现在管道弯曲和弯头、管收缩和其他改变流动方向或速度的结构中。腐蚀在软合金中最为普遍,如铜和铝。

一些减少侵蚀腐蚀的方法包括允许弯曲具有更大的角度,逐渐而不是突然地改变管道直径,以及通过去毛刺改善管道内的流线,即平滑不规则。其他方法包括减少溶解氧量、改变pH液以及将管道材料换到不同的金属或合金。有关腐蚀的更多信息,请参阅我们的应用说明"冷却系统中的腐蚀-腐蚀"和"避免电介质腐蚀"。

冷凝和液体冷却回路设计

除了尽量减少腐蚀外,最小化或防止冷凝也很重要。使用冷却液低于环境温度的风险之一是冷凝可能在冷却表面上形成。这种冷凝水会滴到电子装置上或收集在系统底部,导致腐蚀。为避免冷凝,可以通过绝缘这些表面或使用更高的流体温度来保持环境露点上方的表面温度。Boyd 提供各种绝缘材料,如 SOLIMIDE ®泡沫,以保持线路温度,防止冷凝和潜在损坏。

在设计合理和维护的液体冷却回路中,泄漏的可能性很小。但是,为了尽量减少任何潜在泄漏的影响,储液罐和液体回路可以位于电子装置下方,如果冷却液或冷凝水滴落或喷到电子装置上,这些电子装置就会短路。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,还可以选择使用标准或定制部件。每个都有优点和缺点。如果需要更换,标准随时可用。另一方面,自定义部件针对应用程序的大小、性能和设备要求进行了优化。但是,它们具有更长的提前期,并且可能具有较高的成本。

接头、接头和连接器

冷板或热交换器中的接头数量很重要。当必须钎扎的关节越多时,泄漏的风险就会更高。请务必确保制造商在钎焊方面拥有高度熟练,并具备适当的测试程序,并消除自定义组件中的任何不必要的钎焊点。

为了防止泄漏,必须选择并正确使用正确的接头。对于无泄漏接头,用用夹子固定的软管配住珠状管接头。硬管道通常比软管更可取,但软管可用于系统暴露于冲击或振动的环境中。带有直管接头的装置可以焊接到系统中,也可以与自锁、无扭矩接头一起使用。使用非滴漏的快速断开耦合器,在连接或断开接头时,您需要偶尔出现液体滴落。有关详细信息,请查看我们的申请说明,了解"选择快速断开连接耦合器"。

另一种选择是使用按照汽车工程师协会(SAE)材料规格制造的O形圈配件或按照军用规格制造的O形圈配件。这些接头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形圈产品组合和专业知识可以帮助您快速选择正确的材料,认证和尺寸,以帮助防止系统内泄漏。

维护和服务

尽管维护和服务可能是工程师在设计液体冷却回路时考虑的最后一件事,但在设计过程中包括这种考虑将有助于长期减少问题。必须回答几种不同类型的问题。例如:

  • 泵在使用寿命内是否需要润滑,还是冷却液将执行该功能?
  • 液罐是否需要加满?
  • 哪些组件可现场更换?
  • 什么是维护计划?
  • 所需的泵寿命是多少?
  • 如果需要更换泵,如何为系统充电并启动系统?

其他问题涉及用户必须做什么才能使系统重新工作。

  • 这是否需要拆下电子板和冷板,或仅去除电子板,并且只需在新外壳中捕捉即可轻松拆卸和更换?
  • 如果更换了冷板,是否会随冷却液一起运输?
  • OEM 是否将系统或现场可更换装置装满液体?
    • 如果是这样,冻结液体可能是一个问题,如在飞机货舱中,变得非常寒冷。

这些问题必须由设计、运营和维护团队成员考虑。让所有受影响的个人参与决策,将有助于确保今后的顺利运作。

在设计经过修改的标准或定制液体冷却回路时,必须考虑材料兼容性、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。当正确集成到系统中时,液体冷却可以提供高效的热量去除,风险较低。如今,数以万计的冷板和热交换器是液体冷却电子器件,在一些最苛刻和高性能的应用中。

作者:理查德·戈德曼和特雷西·巴伯

原文于7月2006日发表在RTC杂志上

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