液冷機箱內部模塊的散熱技術分析*

李維天 張育棟 董陽陽

（1.中國電子科技集團公司第二十研究所 西安 710068）（2.西安電子科技大學電子工程學院 西安 710071）

1 引言

隨著電子技術的發展，電氣設備向高功率、高熱流密度、小型化、集成化方向發展，對電子設備的散熱提出了越來越高的要求［1］。由于液冷散熱方式具備較高的換熱效率，比空氣冷卻換熱效率至少高100倍［2］，所以目前液冷機箱越來越多的應用在各個平臺上。很多電子設備往往做成標準插箱的形式，內部包含多個標準插拔模塊，具備較好的通用性和維修性；液冷機箱內部模塊的功耗偏高，功耗值普遍在50W～150W之間；內部模塊的熱設計是一個關鍵問題，在制定模塊的熱設計方案過程中，如何將熱量高效快速導出，是設計師的首要任務［3～4］。

本文將重點研究液冷機箱內部模塊的熱設計。以某艦載液冷機箱內的典型功能模塊為研究對象，分析模塊采用不同散熱結構的散熱性能，可作為后續模塊設計的參考。

2 液冷機箱內部散熱方式分析

2.1 液冷機箱結構組成

液冷機箱多數采用鋁合金材質，內部設計出流體通道（以下簡稱流道），流道布置在側壁板。模塊內的印制板上布置有多個電子元器件，完成預定的功能，印制板一般安裝在冷板上，冷板作為電子元器件的散熱通道。如圖1所示，模塊以插件的方式安裝在液冷機箱中；模塊上安裝有鎖緊器和助拔器，助拔器用于模塊的輔助插入和拔出，鎖緊器用于模塊插入機箱后的固定。

圖1 液冷機箱結構組成

2.2 液冷機箱內部模塊熱傳導分析

由液冷機箱結構組成可得出機箱內部具體傳熱過程：電子元器件的熱量通過模塊的冷板傳導至機箱導軌，再由機箱導軌傳導至冷卻液。機箱導軌的溫度是液冷機箱內部模塊的重要熱設計輸入要素，會直接影響到模塊內部電子元器件的溫升值。在工程應用上，由于給定的外界條件不同，例如供液溫度、供液流量、與機箱內部結構等因素，這些因素決定了機箱導軌溫度［5］。

以模塊內的單個電子器件為研究對象，器件工作產生的熱量傳導至機箱導軌；由傅里葉導熱定律，器件的外表面溫度升高值：

式中T1為器件外表面溫度，T2為機箱導軌壁面溫度，Q為器件的熱耗，R為從電子器件外殼至機箱導軌的傳導熱阻。由上述熱量傳導過程可推得傳導熱阻：

式中R1為器件與冷板接觸面之間的接觸熱阻，℃/W；R2為從冷板接觸面到冷板散熱邊沿的傳導熱阻，℃/W；R3為冷板散熱邊沿與機箱導軌的接觸熱阻，℃/W［6～7］。

2.3 典型模塊內部電子元器件布局

以下針對液冷機箱內某個典型模塊進行分析與研究。如圖2所示，根據功能需要，模塊的印制板上布置有多個器件（集成電路），集中在印制板的中部區域，VPX型連接器被布置在右側端部，作為模塊的電氣接口。器件1與器件2功耗均為20W，器件3的功耗為10W，器件4和器件5的功耗均為35W，模塊總功耗為120W。為保證器件長期穩定工作，這5個器件的殼溫不得超過80℃。

圖2 印制板電子元器件布局圖

3 純鋁冷板的設計與分析

如圖3所示，模塊的冷板通常采用鋁合金材料，設計成一個整體，助拔器與鎖緊器通過螺釘安裝到冷板上，與印制板上發熱器件相對應的表面設計出凸臺結構，凸臺的位置、面積、高度與印制板上的發熱器件一一對應。器件產生的熱量通過凸臺傳導至冷板主體區域，通過導熱棱邊傳導至液冷機箱上。值得注意的是，凸臺表面需安裝柔性導熱襯墊，使得器件與凸臺獲得良好的接觸效果；本文中采用厚度為1mm的導熱襯墊，壓縮后的厚度為0.75mm，其導熱率為5W/（m·K）。冷板材料選用導熱率較高的6061鋁合金，其導熱率為167W/（m·K）。

圖3 模塊冷板三維模型

把UG軟件中設計的冷板模型導入ANSYS Workbench中處理后，使用ANSYS Icepak進行仿真計算。其中模塊與機箱導軌接觸面要設置接觸熱阻；在模塊導熱邊上設置接觸熱阻為0.00015m2·K/W［5，8］。采用試算的方式，分別設置機箱導軌的壁面溫度為20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，忽略對流和輻射散熱作用，計算各器件的最大殼溫，結果如圖4所示。

圖4 純鋁冷板對應的仿真計算值

從上圖中的各曲線可看出，當機箱導軌壁面溫度超過35℃時，各器件殼溫均超過80℃，無法滿足使用需求。在這種情況下，液冷機箱的熱設計者需將導軌壁面溫度降至35℃以下，才能滿足散熱需求；但是此時的器件殼溫依然是偏高的。對于電子器件，溫度每上升10℃，其失效率將增加一倍［1］。若要使器件的溫升下降，則需較低的機箱導軌溫度，這樣會給機箱設計者帶來困難，有時是無法滿足的。

4 內嵌熱管式冷板的設計與分析

平板熱管常用來拉平多排元器件的溫度，并冷卻多排元器件；特別適用于集成電路組件、MCM組件、晶體管組件以及高功率密度組件的散熱［6］。所以嘗試采用熱管來提高冷板的散熱性能。

如圖5所示，平板熱管工作原理是：當蒸發端受熱時則毛細材料中的液體蒸發，蒸汽流向冷凝端，受到冷卻冷凝成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力作用流向蒸發端；如此循環，熱量由熱管的一端傳至另一端。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來［6］。

圖5 平板熱管結構［6］

冷板的設計思路是將模塊內部芯片的熱量快速傳導至模塊外側棱邊上，然后傳導至機箱導軌上。在純鋁冷板上嵌入兩個扁平熱管，把它們布置在5個發熱器件的正上方，然后貫穿殼體Y方向（充分利用熱管在Y方向上高導熱率），這樣便減小了局部傳導熱阻，有利于器件的散熱。本文中兩個熱管的尺寸均為200mm×10mm×3mm。內嵌熱管式冷板的其他結構要素與純鋁冷板保持一致。

圖6 內嵌熱管式冷板結構外形

仿真計算時，熱管可看作高導熱率的均勻材質，設置熱管的等效導熱率為1000W/m·K［9～10］。分別設置機箱導軌的壁面溫度為35℃、40℃、45℃、50℃，仿真結果如圖7所示。

圖7 內嵌熱管式冷板對應的仿真計算值

可以看出，當機箱導軌壁面溫度超過40℃時，各器件殼溫均超過了80℃。在相同導軌壁面溫度條件下（以40℃為例），內嵌熱管式冷板與純鋁冷板相比，電子器件殼溫下降5℃～8℃，導熱性能得到改善。

5 一體化均溫板的設計與分析

一體化均溫板因其等效導熱率高、可靠性高、結構形式靈活等優點，已成為軍用大功率電子設備散熱的主要解決方案和研究對象之一［11］。真空腔均溫板技術從原理上類似于熱管，但在傳導方式上有所區別：熱管為一維線性熱傳導，而真空腔均溫板中的熱量則是在一個二維的面上傳導，因此效率更高［12］。如圖8所示，均溫板內底部的液體工質在吸收電子器件的熱量后，蒸發擴散至真空腔內，將熱量傳導至散熱鰭片上，隨后冷凝為液體回到底部。這種蒸發、冷凝過程在真空腔內快速循環，實現了相當高的散熱效率。

圖8 均溫板工作原理［5］

如圖9所示，以純鋁冷板外形為基礎，將冷板設計成一體化均溫板結構，其設計方法和加工工藝比前兩者復雜一些；均溫板區域的厚度為3mm，內部導熱凸臺布置在均溫板區域下方。

圖9 一體化均溫板式冷板結構

由于均溫板的蒸汽腔特性過于復雜難以模擬，在數值分析時使用等效導熱系數來處理蒸汽腔的計算［3］，取均溫板的等效導熱系數為1000W/m·K［5］。

分別設置導軌壁面溫度40℃、45℃、50℃，仿真計算結果如圖10所示。當機箱導軌壁面溫度高于45℃時，各器件殼溫均高于80℃。

圖10 一體化均溫板對應的仿真計算值

表1為機箱導軌壁溫為40℃時，三種不同冷板結構內的各個器件溫度。由表中數據得，器件4的溫度最高，均溫板與純鋁冷板相比，器件4的殼溫下降了16.3℃；與熱管冷板相比，器件4的殼溫下降了8.1℃；其他器件的溫度也有不同程度的下降。證明模塊采用一體化均溫板結構后，散熱效果提升明顯，模塊有了更寬的溫度適應范圍。

表1 機箱導軌壁溫為40℃時不同冷板結構內的器件溫度

6 結語

本文針對液冷機箱內典型模塊的高熱耗的特點，分別設計對應的純鋁冷板、內嵌熱管式冷板、一體化均溫板；使用ANSYS Icepak軟件分析了各自的散熱性能。從分析結果看出，一體化均溫板結構具備較寬的溫度適用范圍，尤其是在高溫條件下具備明顯的散熱性能優勢。隨著均溫板技術的不斷提高，均溫板的散熱性能會繼續提升；在如今電子設備功耗不斷增加的情況下，具備廣闊的應用前景。讀者可根據工程項目中的實際情況，綜合經濟性、工藝性和可靠性等多方面因素，采用合適的模塊散熱結構，從而得到較優的使用效果。