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設計小型液冷系統論文
引 言
電子設備元器件一直是朝著(zhù)提高集成度、減小元器件尺寸及增加時(shí)鐘頻率的趨勢發(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(fēng)冷為主，隨著(zhù)元器件熱流密度的不斷增大，傳統散熱方式已無(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)越多地應用于機載電子設備。在航空應用環(huán)境，對于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(shù)及液冷系統原理
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。液冷系統主要由液冷散熱器、循環(huán)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(zhì)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(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液箱，如此循環(huán)往復來(lái)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并實(shí)現液冷系統的小型化。小型液冷系統自帶冷卻液驅動(dòng)、存儲、二次換熱系統，僅需要飛機提供冷卻空氣，即可實(shí)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(wèn)題。
小型液冷系 統主要由驅動(dòng)模塊、液冷散熱器、空氣/液體二次換熱器 3部分組成。驅動(dòng)模塊為小型液冷系統提供冷卻液的驅動(dòng)、存儲、冷卻液流量控制;液冷散熱器對高功耗元器件進(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(fā)到空氣熱沉中，使得冷卻液溫度降低，達到循環(huán)利用的目的。
小型液冷系統的設計方案見(jiàn)圖 2。驅動(dòng)模塊插入機箱的插槽內，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(dòng)系統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箱側壁與冷卻空氣進(jìn)行熱交換，將冷卻液熱量散失到環(huán)境中后重新回到儲液箱中，如此循環(huán)。
2.1 驅動(dòng)模塊的小型化設計
驅動(dòng)模塊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(gè)模塊內，以實(shí)現驅動(dòng)系統的集成化、模塊化、小型化，必須從組成系統的各個(gè)部件入手。
1)泵的小型化。受驅動(dòng)模塊內部安裝空間的限制，小型液冷循環(huán)系統采用微型泵來(lái)滿(mǎn)足小型化要求。選擇泵的型號前應精確計算系統流動(dòng)阻力和冷卻液所需 的 流 量 ，根據系統流阻曲線(xiàn)與泵的工作曲線(xiàn)選擇合適的微型泵，應盡量使所選泵在其高效工作區范圍內即額定工況點(diǎn)附近運行。經(jīng)過(guò)系統流阻及冷卻液流量精確計算后，本系統選擇微型齒輪泵，微型齒輪泵具有自吸能力，通過(guò)電機控制流量，流量精度高，體積小，能夠滿(mǎn)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(zhì)流量，儲液箱中冷卻液出口應設計在儲液箱底部低點(diǎn)，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(shí)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塊，根據驅動(dòng)模塊內部空間設計微型控制電路，控制電源模塊輸出 0~5 V 的電壓，調節齒輪泵電機轉速，實(shí)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(guān)鍵是在有限的空間內實(shí)現換熱效率的最大化。通常液冷通道的設計對實(shí)現高效換熱至關(guān)重要。
在液冷框體內設計流道，通過(guò)冷卻液在液冷通道內的流動(dòng)將元器件熱量帶走。液冷通道設計為蛇形并聯(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)對液冷散熱器進(jìn)行熱性能仿真，優(yōu)化液冷散熱器內部流道結構形式，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結語(yǔ)
機載電子設備的性能要求不斷提高，功耗不斷增大，同時(shí)又對“小、低、輕”的要求越來(lái)越迫切。本文將液冷系統設計在一個(gè)標準IATR機箱內，對液冷系統的各組成部分的小型化設計進(jìn)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為液冷系統二次換熱器，極大地縮小了液冷系統的體積，實(shí)現了液冷系統的小型化。小型液冷系統自帶冷卻液驅動(dòng)、存儲、二次換熱系統，僅需要吃機提供冷卻空氣即可實(shí)現對高熱流密度元器件的溫度控制。通過(guò)實(shí)驗，測試了該系統的高效散熱性能，與傳統風(fēng)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(yōu)點(diǎn)，為后續電子設備液冷系統高效散熱及小型化設計提供參考。
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