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設(shè)計(jì)小型液冷系統(tǒng)論文
引 言
電子設(shè)備元器件一直是朝著提高集成度、減小元器件尺寸及增加時(shí)鐘頻率的趨勢(shì)發(fā)展。高集成度、微小的元器件尺寸及大時(shí)鐘頻率帶來(lái)的是元器件功率和熱流密度急劇增加而產(chǎn)生的過(guò)高溫升。實(shí)驗(yàn)證明，電子器件的可靠性與溫度成反比。在傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中，散熱方式以傳導(dǎo)、自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷為主，隨著元器件熱流密度的不斷增大，傳統(tǒng)散熱方式已無(wú)法滿(mǎn)足散熱要求，液冷技術(shù)比空氣冷卻效率高出 100～2000 倍，液冷散熱技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)載電子設(shè)備。在航空應(yīng)用環(huán)境，對(duì)于機(jī)載電子設(shè)備的尺寸和重量有嚴(yán)格要求，因此液冷系統(tǒng)的小型化研究十分必要。
1 液冷技術(shù)及液冷系統(tǒng)原理
液冷技術(shù)是指冷卻介質(zhì)為液體的冷卻技術(shù)。其原理就是利用冷卻液的流動(dòng)帶走元器件產(chǎn)生的熱量從而降低發(fā)熱元器件的溫度。液冷系統(tǒng)主要由液冷散熱器、循環(huán)管路、泵、儲(chǔ)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(zhì)在泵的作用下從儲(chǔ)液箱泵出流入液冷散熱器內(nèi)，將電子元器件產(chǎn)生的熱量帶走，再經(jīng)過(guò)二次換熱器將熱量散發(fā)到空氣熱沉中，冷卻后的液體再次流回儲(chǔ)液箱，如此循環(huán)往復(fù)來(lái)達(dá)到控制元器件溫度的目的。
2 小型液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在標(biāo)準(zhǔn) 1ATR 機(jī)箱內(nèi)設(shè)計(jì)液冷系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)液冷系統(tǒng)的小型化。小型液冷系統(tǒng)自帶冷卻液驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)、二次換熱系統(tǒng)，僅需要飛機(jī)提供冷卻空氣，即可實(shí)現(xiàn)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(wèn)題。
小型液冷系 統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、液冷散熱器、空氣/液體二次換熱器 3部分組成。驅(qū)動(dòng)模塊為小型液冷系統(tǒng)提供冷卻液的驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)、冷卻液流量控制;液冷散熱器對(duì)高功耗元器件進(jìn)行散熱，元器件產(chǎn)生的熱量傳遞給液冷散熱器內(nèi)的冷卻液，冷卻液將熱量帶出，達(dá)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(fā)到空氣熱沉中，使得冷卻液溫度降低，達(dá)到循環(huán)利用的目的。
小型液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖 2。驅(qū)動(dòng)模塊插入機(jī)箱的插槽內(nèi)，空氣/液體換熱器嵌入在機(jī)箱側(cè)壁上。儲(chǔ)液箱中的低溫冷卻液在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中微泵的作用下流入液冷散熱器中與元器件進(jìn)行熱交換，熱交換后的高溫冷卻液流入機(jī)箱側(cè)壁與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，將冷卻液熱量散失到環(huán)境中后重新回到儲(chǔ)液箱中，如此循環(huán)。
2.1 驅(qū)動(dòng)模塊的小型化設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)模塊小型化設(shè)計(jì)主要是將微泵、儲(chǔ)液箱、電源及控制電路集成在一個(gè)模塊內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化、模塊化、小型化，必須從組成系統(tǒng)的各個(gè)部件入手。
1)泵的小型化。受驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部安裝空間的限制，小型液冷循環(huán)系統(tǒng)采用微型泵來(lái)滿(mǎn)足小型化要求。選擇泵的型號(hào)前應(yīng)精確計(jì)算系統(tǒng)流動(dòng)阻力和冷卻液所需 的 流 量 ，根據(jù)系統(tǒng)流阻曲線(xiàn)與泵的工作曲線(xiàn)選擇合適的微型泵，應(yīng)盡量使所選泵在其高效工作區(qū)范圍內(nèi)即額定工況點(diǎn)附近運(yùn)行。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)流阻及冷卻液流量精確計(jì)算后，本系統(tǒng)選擇微型齒輪泵，微型齒輪泵具有自吸能力，通過(guò)電機(jī)控制流量，流量精度高，體積小，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)壓力、流量及小型化的要求。
2)儲(chǔ)液箱的小型化。根據(jù)傳熱理論精確計(jì)算系統(tǒng)所需的冷卻介質(zhì)流量，儲(chǔ)液箱中冷卻液出口應(yīng)設(shè)計(jì)在儲(chǔ)液箱底部低點(diǎn)，內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)斜面以避免死水區(qū)的形成，以便有效利用冷卻液，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液箱小型化要求。
3)電源及控制電路小型化。根據(jù)微型齒輪泵供電要求選擇微型電源模塊，根據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部空間設(shè)計(jì)微型控制電路，控制電源模塊輸出 0~5 V 的電壓，調(diào)節(jié)齒輪泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的精確控制。
2.2 液冷散熱器的小型化設(shè)計(jì)
液冷散熱器小型化設(shè)計(jì)關(guān)鍵是在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)換熱效率的最大化。通常液冷通道的設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)高效換熱至關(guān)重要。
在液冷框體內(nèi)設(shè)計(jì)流道，通過(guò)冷卻液在液冷通道內(nèi)的流動(dòng)將元器件熱量帶走。液冷通道設(shè)計(jì)為蛇形并聯(lián)管路，蛇形通道增加熱交換時(shí)間及面積，并聯(lián)管可有效降低流阻，同時(shí)避免堵塞，提高可靠性。
通過(guò)對(duì)液冷散熱器進(jìn)行熱性能仿真，優(yōu)化液冷散熱器內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)形式，增加冷卻液流動(dòng)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(jié)語(yǔ)
機(jī)載電子設(shè)備的性能要求不斷提高，功耗不斷增大，同時(shí)又對(duì)“小、低、輕”的要求越來(lái)越迫切。本文將液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IATR機(jī)箱內(nèi)，對(duì)液冷系統(tǒng)的各組成部分的小型化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出了電子設(shè)備液冷系統(tǒng)二次換熱器嵌入式設(shè)計(jì)方法，將電子設(shè)備機(jī)箱側(cè)壁設(shè)計(jì)為液冷系統(tǒng)二次換熱器，極大地縮小了液冷系統(tǒng)的體積，實(shí)現(xiàn)了液冷系統(tǒng)的小型化。小型液冷系統(tǒng)自帶冷卻液驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)、二次換熱系統(tǒng)，僅需要吃機(jī)提供冷卻空氣即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高熱流密度元器件的溫度控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了該系統(tǒng)的高效散熱性能，與傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)箱相比，元器件溫度大幅下降。該小型液冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，為后續(xù)電子設(shè)備液冷系統(tǒng)高效散熱及小型化設(shè)計(jì)提供參考。
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