高性能液体冷却回路设计

如何设计一种用于高性能系统热管理的液冷系统

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。这种增加计算的结果往往是更高和更集中的电子热负荷。由于过热会降低系统的可靠性，空气冷却在某些应用中不再足够。许多工程师开始使用液体冷却来散热。

对于那些不熟悉这种技术的人来说，设计一个液体冷却系统的复杂性可能是令人生畏的。虽然为液体冷却回路选择热元件相对简单，但还有其他需要考虑的因素或细微差别可以忽略。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、标准和定制部件、接头、配件、连接器的使用，以及维护和服务。

液冷回路通常由液冷板、液冷泵、换热器和管路或软管组成(图1)。单板产生余热，余热由单板传递到导热板，再传递到流经冷板的液冷剂。通常，流体路径匹配板上的热点。加热后的冷却剂被泵入热交换器，热量从冷却剂转移到周围的空气中，或者在液-液热交换器中，转移到另一种液体冷却剂中。冷却后的冷却剂通过管道或软管流回冷板，完成冷却循环。在正常运行情况下，冷却液连续流经冷却回路，保持单板冷却。

材料兼容性

由于所有材料和液体冷却回路中的流体需要一起使用，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相容。铝与多α-烯烃（PAO），油，乙二醇和水溶液（EGW）以及荧光惰性全氟碳流体等流体兼容，该氟化惰性全氟碳流体由3M制造，并用于许多电子冷却应用。不锈钢与大多数流体兼容，包括腐蚀性液，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相容（图2）。

图2:各种流体与各种标准冷板和换热器材料兼容

材料和传输流体兼容性	水	EGW	去离子水	石油	电介质流体(如氟惰性流体™)	合成烃(PAO)
铜管	X	X
不锈钢管道	X	X	X
铝平管或板鳍		X		X	X	X
扁铜，铜蚀刻，或铜钎焊	X	X		X	X	X
加工			X

大多数液体冷却剂还需要少量的添加剂来抑制腐蚀和润滑泵。然而，需要注意的是，系统中其他地方的不相容材料可能会使缓蚀剂失效，因此也必须进行评估。杀菌剂、杀藻剂和pH值的调整也可能有助于维护您的系统，这取决于所选择的液体冷却剂。

腐蚀预防

腐蚀会以两种不同的方式导致问题。材料不仅会被腐蚀，从而导致泄漏，而且被腐蚀的材料会沉积在系统的其他地方，堵塞流体通道或过滤器。这会产生一个压降，导致冷却剂流动减少。此外，如果在主动换热表面发生沉积，污垢引起的额外热阻会使温度升高。

在液体冷却回路中，电偶腐蚀和侵蚀腐蚀都应该最小化。当不同的金属在导电液体等电解质的存在下相互电接触时，就会发生电偶腐蚀。大多数水基冷却剂在某种程度上是电解的。为了防止电偶腐蚀，回路要么在整个系统中使用类似的材料(理想情况下只使用一种金属)，要么使用不导电的流体。应该考虑系统中所有材料的电偶势。这不仅包括主要的热元件，还包括流体路径中的所有连接器、配件、阀门和连接点。

侵蚀-腐蚀是由于流体和金属表面的相对运动而加速金属的腐蚀速度。它最常出现在管道弯曲和弯管，管道收缩和其他结构，改变流动方向或速度。侵蚀腐蚀是最普遍的软合金，如铜和铝。

一些减少侵蚀-腐蚀的方法包括允许弯曲有更大的角度，逐渐改变管径而不是突然改变，通过去毛刺来改善管道内部的流线，即平滑不规则。其他方法包括减少溶解氧的量，改变pH值，以及将管道材料换成不同的金属或合金。请参阅我们的应用说明“冷却系统中的侵蚀-腐蚀”和“避免电偶腐蚀”以获得更多关于腐蚀的信息。

冷凝和液体冷却环设计

除了最小化腐蚀之外，重要的是最小化或防止凝结。使用低于环境温度的冷却剂的风险之一是在冷表面上可以形成冷凝。这种冷凝可以滴在电子产品上或收集在系统的底部并导致腐蚀。为了避免冷凝，可以通过绝缘这些表面或使用更高的流体温度来维持表面温度以高于环境露点。Boyd提供各种绝缘材料，如Solimide®泡沫，以保持线温度，防止冷凝和潜在的损坏。

在一个合理设计和维护的液体冷却回路中，泄漏是不可能的。然而，为了将任何潜在泄漏的影响降至最低，储层和液体回路可以位于电子设备的下方，如果冷却剂或冷凝液滴在电子设备上或喷洒在电子设备上，电子设备就会短路。其他选择包括在电气系统的高压部分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。每个人都有优点和缺点。如果需要替换，可以随时使用标准。另一方面，自定义部件针对应用程序的尺寸，性能和设备要求进行了优化。但是，它们将具有更长的交付时间，并且可能具有更高的成本。

接头，配件和连接器

冷板或换热器的接头数量很重要。当有更多的接头必须进行钎焊时，泄漏的风险就更高。重要的是要确保制造商是高技能的钎焊，有适当的测试程序，并消除任何不必要的钎焊点在定制组件。

为了防止泄漏，必须选择正确的连接件并正确使用。对于无泄漏的接头，串珠管接头与用夹具固定的软管配合。硬管道通常比软管更可取，但软管可能用于系统暴露在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，或与自锁、无扭矩接头一起使用。快速断开的接头不是无滴的，当连接或断开接头时，你需要期待偶尔滴下液体。如需更多信息，请查看我们的申请备注“选择快速断开耦合器”。

另一种选择是使用由汽车工程师（SAE）材料规格的社会制造的O形圈配件或制造于军事规范的人。这些配件可用于各种材料和尺寸，并提供可靠的无泄密密封件。Boyd的O形圈产品组合和专业知识可以帮助您快速选择合适的材料，认证和尺寸，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设计在设计液体冷却环时的最后一件事，但在设计过程中包括此考虑因素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：

• 泵在其使用寿命中是否需要润滑，或者是冷却剂将执行该功能?
• 流体水库是否需要脱落？
• 哪些部件是可现场更换的?
• 什么是维护时间表？
• 泵所需的寿命是多少?
• 如果需要更换泵，如何给系统充电并启动系统?

其他问题涉及用户必须做什么才能让系统重新工作。

• 这是否需要移除电子元件和冷板，或者仅仅是电子元件，而且两者都可以很容易地拆卸和更换，只需安装一个新的?
• 如果更换冷板，会和冷却液一起发货吗?
• 原始设备制造商是否运送系统或现场可更换的充满流体的单元?
  • 如果是这样，冻结流体可能是一个问题，例如在飞机货物中保持很冷。

设计、操作和维护团队的成员都必须考虑这些问题。让所有受影响的个人参与决策将有助于确保未来的顺利运作。

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，软管和维护和维护和维护和维护要求所有必要考虑在设计改进的标准或定制液体冷却环时。当适当地集成到系统中时，液体冷却可以提供具有低风险的高效散热。如今，成千上万的冷板和换热器是液体冷却电子产品，是一些最苛刻和高性能的应用。

作者理查德·戈德曼和特雷西·巴伯

原创发表于RTC杂志，2006年7月