夜雨聆风
珍藏版:电子产品液冷系统设计与方案选型全攻略 | 系统定义、理论计算、典型应用
第547篇文章
本期给大家带来的是关于电子产品液冷系统以及方案设计选取原则的研究内容，希望对大家有帮助。
之前有发布过关于热设计方案设计的选取方法的相关文章，详细阅读可点击下方链接。
随着芯片和板级的功率密度的快速增加，许多新产品开始使用液体。
但外界也存在很多质疑和担心，比如泄漏、散热效率、成本等方面的风险是否应该考虑进去。
系统定义
液体冷却系统定义如图1所示。PCB组件产生的热量通过附着的冷板收集，然后通过冷却剂输送到液体储液器。
随后，冷却的液体循环回冷板。因此，就创建了一个液体回路或冷却系统。
图1.液体冷却系统
图2显示了电子系统中传统使用的冷却系统。
图2.电子系统中的空气辅助液体冷却
在这种结构中，液体是一种传输介质，热源传热到冷板中，通过液体到空气的热交换器传输到空气中。这种系统的冷却能力受到热交换器的设计或散热性能的限制。
当我们比较上述系统时，发现很大的差异。在一个真正的液体冷却系统中（图1），根据其热力学定义，储层是等温的。
这意味着它的温度不会因为热量的输入而变化。蓄水池的体积大到足以使其平均温度保持不变，最终它将与大气和空间交换热量，目前这一应用在数据中心浸没式液冷领域应用较广泛。
空气辅助冷却实际上是一种风冷系统，其中液体被用作源和散热器之间的传热工质。
在任何一种系统中，液体冷却都有一些明显的优势。这些好处包括液体单位体积的热量传输能力，以及更有效的热量扩散。
在一个开放系统中由焓变化引起的热传递，计算如式1所示。
其中，m = ρVA，（ρ为流体密度，V为速度，A为横截面积），Cp为恒压下的比热。
假设速度和横截面积为常数，则使用Cp和ρ能计算不同流体时的传热大小。
表1显示了在300°K下，水和空气的Cp、ρ、µ和k的值。
表1.典型冷却剂的热力学特性
上述清楚地表明了具有较高密度和热容量的流体对传输热负荷的优势。
液体冷却在芯片热管理中也可以发挥重要的作用。板级和芯片级的局部功耗对设计一个成功的产品是一个巨大的挑战。
图3显示了来自某大厂的例子，芯片给定位置的热通量超过2500 W/cm²。
图3. 微处理器显示的热通量超过2500 W/cm²
显然，可以通过将热量扩散到更大的表面积来更有效地管理局部热通量。
传导和对流传热是这种散热设计的主要方法。高导热性材料，如金刚石，石墨片将极大地有助于在更大的表面上更有效地传播热量。
看看努塞尔特数（Nu）和传热系数，就可以发现液体如何有效地将热量扩散到更大的表面积。Nu等于hL/k，而传热系数h，例如在层流中的平板，由式2给出。
其中
h：传热系数
k：流体热传导系数
L：特征长度
Re：雷诺数
Pr：普朗特数
Re的大小是速度和流体性质的函数，而Pr依赖于流体的粘度和密度。显然，K值越大的流体具有较大的Re和Pr，则h越大。
因此，当我们看牛顿的冷却定律时，
在相同的流动条件下，将流体类型从气体改变到液体（即空气到水）会产生显著更高的热传递。
这将降低平均表面温度，并使设备的散热设计效果更好。使用液体冷却，无论是纯（浸没式）的还是有空气辅助的，都可以促进更高的传热和更好的热管理系统。
然而，实施液体辅助冷却系统的设备，循环冷却系统大多数需要都是风冷。关注的焦点集中在风扇故障和噪声等问题上。
比如，之前我们在视频号发布的一款水冷板、风扇混合的冷却项目，详细内容，大家可自行观看，完整的视频可移步至B站（莱歌数字）：
https://www.bilibili.com/cheese/play/ss29775?csource=private_space_class_null&spm_id_from=333.999.0.0
将液体引入这种冷却混合物中意味着增加一个全新的可靠性和安全性维度。
该冷却方法在设计与现场实施部署，其可靠性和成本方面等问题一直持续存在。
图4显示了一个数据中心中的计算机集群的典型液体冷却系统实现。
图4.液体冷却计算机集群的安装示意图
在这种配置中，电子设备直接耦合到冷却系统（即冷板或空气对液热交换器冷却）。
这就要求主动控制和监控冷却系统和电子设备。如果在整体冷却方案设计中，没有冗余设计，冷却系统的故障将导致电子设备关闭。
比如，在多联级的风冷散热机柜系统，我们在进行热管理方案设计时，要考虑，一旦某个、或多个风扇因故障导致不工作或降频工作时，需确保设备仍然能持续正常工作。
这些防护措施包括额外的泵、液体回路泄漏和压降自动探测等。
当我们将液体冷却系统的图4与传统的数据中心风冷的图5进行比较时，液体冷却系统的复杂性就非常明显。
图5.中央风冷数据中心，CRAC单元向电子设备提供冷却空气
Flotherm软件中的数据中心仿真模型
如上所述，从实现和操作的角度来看，图5中所示的风冷系统是一个相对简单的冷却系统。
如图1和图2所示，液冷系统在机械结构上比类似的风冷系统更复杂，维护起来也更具挑战性。使用液冷系统也对其维护、操作和控制带来了显著更高的成本和挑战。
所以，在实际项目方案设计时，我们应该坚守的原则是从最简单的解决方案开始，只有在不能满足热需求时才会考虑更复杂和更昂贵的冷却解决方案。
参考资料
-
《传热和传质分析》
-
高密度计算机集群的液体冷却
-
高密度数据中心部署的规划
更多视频内容分享，见其B站：莱歌数字
本期的分享就到这里，更多免费视频教程，请关注我们官方B站、DY账号：莱歌数字
技术培训、技术支持、项目合作，申请添加yanshanYH，备注来意
与395+专业工程师一起学习、交流、进步！
每周晚8点，直播分享，关于技术、项目、产品等内容。
扫描下方二维码，添加管理员微信，申请加入！
更多资讯，请关注公众号后在主页专栏，搜索关键词查询，或扫描下方二维码，选择更多教程。
降低门槛，提升效率！
推荐阅读
部分素材源自网络，版权归原作者所有。如有侵权，请联系我们及时处理。
微信：yanshanYH
