冷板设计

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冷板是一种单流体（气体、水或其他冷却剂）的热交换器。由于冷板具有一组扩展表面的结构、较小的冷却通道当量直径和采用有利于增强对流换热的肋表面几何形状等特点，换热系数较高。空气冷却式冷板的热流密度为15.5×10^3W/m2，而液冷式冷板的热流密度可达45×10^3W/m2。冷板可以有效地冷却功率器件、印制板组装件及电子机箱所耗散的热量。因此，冷板在电子设备热控制技术中的应用得到了广泛的重视。
一、冷板的分类
冷板根据其冷却介质的不同，分为气冷式冷板、液冷式冷板、储热式冷板和热管冷板等。
1 、气冷式冷板
1)气冷式冷板的结构如图1所示，它由盖板、底板、左右封端和肋片组成。其中肋片是冷板的主要零件，肋片的几何参数：厚度为0.2～0.6mm，肋间距为0.5～5.0mm，肋高为2.5～20mm，其材料为导热系数较大的铝或铜。肋片的结构形式有平直形、波形锯齿形和多孔形等，如图2所示。表1为几种典型的肋片结构参数。
图1 气冷式冷板结构
图2 肋片结构形式
表1 典型肋片的结构参数
● 三角形肋、矩形肋，因其当量直径小，有利于增强传热；
● 多孔形肋，则靠孔区的混合流（紊流）来提高它的换热系数；
● 波形肋是利用其波形通道形成的冷却剂二次流动来增强换热；
● 锯齿形肋，由于层流边界层的叠加，其换热能力有较大的提高。在相同的肋间距条件下，该肋片的换热系数比三角形肋、矩形肋要大2～3倍。
2)选择肋片的几何参数时，应考虑的因素有：
① 根据冷板的工作环境条件，选择肋片的形状、肋间距、肋高和肋厚。
② 冷板的工作压力，一般应低于2MPa。
③ 当换热系数大时，选用厚和高度低的肋片；反之，则选用高而薄的肋片，可增大换热面积。
④ 当冷板表面与环境之间的温差较大时，宜选用平直形肋片（如三角肋、矩形肋）；温差小时，则选用锯齿形肋片。
3)冷板的盖板、底板及多层冷板用的隔板材料一般用铝板（如LT3Y2），采用真空焊接工艺，将肋片、封端固定，组成冷板的通道。盖板、底板的厚度一般为5～6mm；隔板的厚度取1～2mm，最薄的为0.36mm。
冷板的封端安装在通道的两侧，与盖板焊牢，其材料一般采用铝型材，其结构形式如图3所示。
图3 冷板的封端结构形式
2、液冷式冷板
液冷式冷板的典型结构如图4所示。液冷式冷板的基材，通常选用导热性能好的铜、铝等板材。板的厚度可根据空间尺寸条件而定。液体冷却剂流动通道的孔形，一般可选用圆形或方形。其当量直径可根据冷却剂的流量来确定。
图4 液冷式冷板结构
液冷式冷板常用冷却剂的物理性质见表2。
表2 常用冷却剂的物理性质
3 、储热式冷板
储热式冷板是在冷板上（或空间内）涂抹或填装具有高熔解热的相变材料，在其受热熔解时，吸收冷板上电子器件所耗散的热量，达到控制冷板温升为目的的装置。
储热冷板的结构形式如图5所示。
图5 储热冷板
对相变材料的基本要求是：
① 有较高的熔解热；
② 熔解时体积膨胀较小；
③ 材料的质量定压热容、密度、导热系数较大；
④ 发生相变时的蒸气压力较低；
⑤ 材料与冷板相容性好。相容时不产生有害物质。
相变材料熔解温度的选择，一般应保证发生相变的温度大于冷板的初始温度，而相变材料的熔解温度应小于冷板的许用温度。
4、热管冷板
热管冷板装置，如图6所示。
图6 热管冷板
5 、各类冷板的选用原则
① 冷板的选用可根据热源的分布（集中分布、均布、非均布）、设备或元器件的热流密度、许用温度和强迫冷却时流体的许用压降、工作环境条件等因素进行综合考虑。
② 高功率密度和大功率器件的散热，可选用强迫液冷冷板。
③ 热量均布的中、小功率器件，可选用强迫空气冷却冷板，气流速度宜在1～4m/s范围内选择。
④ 要求闭路温度控制的冷板，或将冷板用做密闭机箱的内部换热时，可选用热管冷板。但对工作位置频繁变换的电子设备，则不宜选用。
⑤ 按脉冲工况运行的电子元器件或电子设备的内热源与外部热环境之间的温度有较大的周期性变化，其安装空间受到限制时，可选用储热冷板。
二、冷板的设计
冷板的设计分为校核计算和设计计算两类问题。校核计算是在已知冷板的结构尺寸、冷却剂流量及工作环境条件下，校核其是否满足所要求的传热量和压降。设计计算是在已知热负荷（功耗）、冷却剂流量、压降和工作环境条件下，设计一个满足要求的冷板装置。它们都存在冷板上的热负荷（功耗）是均温或非均温分布的问题，设计时要区别对待。
1)均温冷板的校核计算
根据已知冷板的结构尺寸、肋片参数、冷却剂流量、通道当量直径 de和通道截面积 Ac以及总换热面积A等，分别计算
① 温升
② 由定性温度tf=0.25（2ts+t1+t2）确定冷却剂的物理参数（cp、μ、Pr等），计算雷诺数
式中，G为通道中的冷却剂单位面积质量流量。
③ 换热系数
④ 肋片效率及总效率
式中 l——肋片高度（m）；
k——肋片材料的导热系数（W/（m·℃））；
δf——肋片厚度（m）；
h——冷板的换热系数（W/（m2·℃））。
总效率（略去盖板和底板的效率）为
⑤ 传热单元数
⑥ 冷板的表面温度
⑦ 压力损失
⑧ 比较ts≤[ts]和Δp≤[Δp]。如不满足，则需改变冷却剂的流量，重复计算，直至达到要求为止。
2、 均温冷板的设计计算
确定一个满足设备温升控制要求的冷板，设计时应先确定的参数有：冷板的流通形式（顺流、逆流或交叉流）；根据流体的温度及腐蚀电位，选择合适的冷板材料；根据工作压力和使用环境条件，选择肋片参数，如肋高、肋厚、肋距等。根据电子设备的结构布置形式，预选一个冷板的结构尺寸。
具体步骤如下：
① 根据预选的冷板结构尺寸，选取肋片参数和其他参数（质量、体积、强度等）、当量直径（de）、单位面积冷板的传热面积（A1）和单位宽度冷板通道的横截面积（A2）等参数。
② 取定性温度为t2时冷却剂的物理性质参数。
③ 冷却剂的温差
④ 冷却剂的出口温度t2=t1+Δt
⑤ 定性温度tf=0.25（2ts+t1+t2）
⑥ 设冷板的宽度为b1，则通道的截面积为Ac=b1A2
⑦ 单位面积冷却剂的质量流量
⑧ 雷诺数
⑨ 换热系数
⑩ 肋片效率及总效率
⑪有效度
⑫传热单元数
⑬总面积
⑭冷板的深度
⑮压降
⑯比较A≤[A]、Δp≤[Δp]，若不满足，则重新设定b、D值，计算6～13步，直至符合要求为止。
3、非均温冷板的换热计算
非均温冷板的热计算比较复杂。通常将冷板划分成微小单元体，根据传热形式，建立热阻平衡方程式，用数值计算方法（有限差分法和有限元法等）或热阻网络法，计算微元体各节点的温度和热流量，得到冷板的温度分布，并采取相应有效的措施，控制冷板的温度。
图7是非均温冷板的部分热阻网络图。其中，R10-11、R11-12等为导热热阻，R10-11=（kA）-1，R3-1 0、R5-11、R7-12等是对流热阻，其计算公式为
图7 非均温冷板热阻图
R2-3、R4-5、R6-7等为冷却剂热阻
由节点热平衡方程，可以得到各节点的温度及热流量。
三、冷板的应用
由于冷板的传热性能很好，且体积小，质量轻，在电子设备及高组装密度器件的热设计中得到了广泛的应用，特别在机载、星载电子设备中，冷板的应用更具有明显的优势。
IBM3081计算机微处理器的导热模块（TCM）技术中的水冷冷板就是一个很好的应用例子。图8所示为机载发射机两个行波管（TWT）及其电源的冷板冷却模型。肋片采用平直形，具体尺寸根据热源位置采用不同的尺寸。安装行波管（TWT）收集极处的肋片尺寸为 l×δf×s=9.5mm×0.2mm×2.0mm，其他安装电源位置的肋片尺寸为9.5mm×0.2mm×4.2mm。当冷板的进口温度为30℃，空气质量流量为0.089kg/s时，可以散掉大约1kW的热量（空气出口温度低于60℃）。系统总的压力损失约为0.715×103（Pa）。
图8 行波冷却用冷板


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