設計小型液冷系統論文

引 言

電子設備元器件一直是朝着提高集成度、減小元器件尺寸及增加時鐘頻率的趨勢發展。高集成度、微小的元器件尺寸及大時鐘頻率帶來的是元器件功率和熱流密度急劇增加而產生的過高溫升。實驗證明，電子器件的可靠性與溫度成反比。在傳統熱設計中，散熱方式以傳導、自然冷卻、強迫風冷爲主，隨着元器件熱流密度的不斷增大，傳統散熱方式已無法滿足散熱要求，液冷技術比空氣冷卻效率高出 100～2000 倍，液冷散熱技術越來越多地應用於機載電子設備。在航空應用環境，對於機載電子設備的尺寸和重量有嚴格要求，因此液冷系統的小型化研究十分必要。

1 液冷技術及液冷系統原理

液冷技術是指冷卻介質爲液體的冷卻技術。其原理就是利用冷卻液的流動帶走元器件產生的熱量從而降低發熱元器件的溫度。液冷系統主要由液冷散熱器、循環管路、泵、儲液箱、二次換熱器 5 部分組成。其工作原理如圖1 所示，冷卻介質在泵的作用下從儲液箱泵出流入液冷散熱器內，將電子元器件產生的熱量帶走，再經過二次換熱器將熱量散發到空氣熱沉中，冷卻後的液體再次流回儲液箱，如此循環往復來達到控制元器件溫度的目的。

2 小型液冷系統的設計

在標準 1ATR 機箱內設計液冷系統並實現液冷系統的小型化。小型液冷系統自帶冷卻液驅動、存儲、二次換熱系統，僅需要飛機提供冷卻空氣，即可實現高熱流密度元器 件 的溫 度 控制 ，可 以有效解 決高熱流 密度元器 件的散熱 問題。

小型液冷系 統主要由驅動模組、液冷散熱器、空氣/液體二次換熱器 3部分組成。驅動模組爲小型液冷系統提供冷卻液的驅動、存儲、冷卻液流量控制;液冷散熱器對高功耗元器件進行散熱，元器件產生的熱量傳遞給液冷散熱器內的冷卻液，冷卻液將熱量帶出，達到控制元器件溫度的目的;空氣/液體二次換熱器將冷卻液吸收的元器件熱量散發到空氣熱沉中，使得冷卻液溫度降低，達到循環利用的目的。

小型液冷系統的設計方案見圖 2。驅動模組插入機箱的插槽內，空氣/液體換熱器嵌入在機箱側壁上。儲液箱中的低溫冷卻液在驅動系統中微泵的作用下流入液冷散熱器中與元器件進行熱交換，熱交換後的高溫冷卻液流入機箱側壁與冷卻空氣進行熱交換，將冷卻液熱量散失到環境中後重新回到儲液箱中，如此循環。

2.1 驅動模組的小型化設計

驅動模組小型化設計主要是將微泵、儲液箱、電源及控制電路集成在一個模組內，以實現驅動系統的集成化、模組化、小型化，必須從組成系統的各個部件入手。

1)泵的小型化。受驅動模組內部安裝空間的限制，小型液冷循環系統採用微型泵來滿足小型化要求。選擇泵的型號前應精確計算系統流動阻力和冷卻液所需 的 流 量 ，根據系統流阻曲線與泵的工作曲線選擇合適的微型泵，應儘量使所選泵在其高效工作區範圍內即額定工況點附近執行。經過系統流阻及冷卻液流量精確計算後，本系統選擇微型齒輪泵，微型齒輪泵具有自吸能力，透過電機控制流量，流量精度高，體積小，能夠滿足系統對壓力、流量及小型化的要求。

2)儲液箱的小型化。根據傳熱理論精確計算系統所需的冷卻介質流量，儲液箱中冷卻液出口應設計在儲液箱底部低點，內部應設計斜面以避免死水區的形成，以便有效利用冷卻液，實現儲液箱小型化要求。

3)電源及控制電路小型化。根據微型齒輪泵供電要求選擇微型電源模組，根據驅動模組內部空間設計微型控制電路，控制電源模組輸出 0~5 V 的電壓，調節齒輪泵電機轉速，實現對流量的精確控制。

2.2 液冷散熱器的小型化設計

液冷散熱器小型化設計關鍵是在有限的空間內實現換熱效率的最大化。通常液冷通道的設計對實現高效換熱至關重要。

在液冷框體內設計流道，透過冷卻液在液冷通道內的流動將元器件熱量帶走。液冷通道設計爲蛇形並聯管路，蛇形通道增加熱交換時間及面積，並聯管可有效降低流阻，同時避免堵塞，提高可靠性。

透過對液冷散熱器進行熱性能仿真，優化液冷散熱器內部流道結構形式，增加冷卻液流動通路尺度，增加有效換熱面積，降低熱源溫度，有效提高液冷散熱器散熱性育。

3結語

機載電子設備的性能要求不斷提高，功耗不斷增大，同時又對“小、低、輕”的要求越來越迫切。本文將液冷系統設計在一個標準IATR機箱內，對液冷系統的各組成部分的小型化設計進行了探討，提出了電子設備液冷系統二次換熱器嵌入式設計方法，將電子設備機箱側壁設計爲液冷系統二次換熱器，極大地縮小了液冷系統的體積，實現了液冷系統的小型化。小型液冷系統自帶冷卻液驅動、存儲、二次換熱系統，僅需要吃機提供冷卻空氣即可實現對高熱流密度元器件的溫度控制。透過實驗，測試了該系統的高效散熱性能，與傳統風冷機箱相比，元器件溫度大幅下降。該小型液冷系統具有結構緊湊、維護方便、換熱效率高等優點，爲後續電子設備液冷系統高效散熱及小型化設計提供參考。