液体冷却系统及其部件
本期给大家带来的是关于液体冷却系统及其部件研究内容，希望对大家有帮助。
在其最基本的形式中，液体冷却系统的目的是将热量从一个设备传输到一个远程的热交换器。液体冷却系统有助于降低从小元器件到大表面的热移动相关的热扩散阻力。
在热通量非常高且在散热的空间有限的应用中，降低扩散热阻至关重要。例如，笔记本电脑、igbt、牵引电机和雷达阵列等产品。
随着功耗的不断增加，以及对封装尺寸的严格限制，对更复杂和更紧凑的液体冷却系统的需求会越来越多。
那么，在一个项目立项时，我们需要对热设计方案进行预估，即对该系统散热风险进行初步评估。
一般可以用的方法有两种：即，表面热流法、体积功率密度法。
不同散热方式表面热流密度对应的温升曲线示意
由上图给定的几种散热方式，通过计算产品表面积、根据表面温升要求目标，查找表面热流密度。
由公式，表面积*表面热流密度，即可获得初步散热能力，以此评估所选的散热方案是否合适。
或者根据项目给出的功耗，计算表面热流密度，以此由上图选择所需的散热方式，然后进行其它验证。
温升为40℃℃时产品体积功率密度限值(适用于密封单元内部的冷却)
运用体积功率密度方法，也可以进行评估。通过计算产品体积，查找体积功率密度，体积*体积功率密度，即可获得初步散热能力，或者根据需要散掉的热量，进行反推，也可以得到初步的散热方案。
因为之前，对于风冷、自冷、导热材料的介绍了很多，感兴趣的大家可以看看之前文章
我们今天主要分享的是液体冷却系统及其外围部件。
最简单的液体冷却回路是重力辅助热虹吸管，如下图所示，
电子冷却用基本热虹吸管示意图
其工作原理为：液体蒸发器块附着在一个部件上，该部件将热量从该装置转移到工作流体中。然后，由于浮力效应，被加热的流体在循环中上升，直到它到达冷凝器（热交换器），在那里它的热能被转移到周围环境，此时流体被冷却，密度变大，所以它通过循环向下回到蒸发器。
该系统的优点是没有机械泵来循环流体，这不仅增加了系统的使用寿命，而且还消除了潜在的液体泄漏。
然而，该系统由于对重力的依赖，系统的方向对于最佳性能至关重要。还必须注意不要超过最大功率限制，以避免“干燥”的失效模式，即，所有工作流体被加热成蒸汽，蒸发器中不存在流体来冷却部件。
为了处理热虹吸管的实际限制，可以使用强制液体回路，使用机械泵来循环整个系统中的工作流体，强制液体回路包含的几个组件，如下图所示，
强制液体冷却回路的经典例子
一个冷板附着在被冷却的装置上，液体在低压下被泵加压。加热的液体被泵送入热交换器，并通过自然或强制对流冷却。
一旦液体冷却，将流入冷板继续对热源进行冷却，重复这个过程。由于泵的力学性能，可能需要一个储液器来分离系统中滞留的空气，以避免空化和泵送压力的损失。
该系统的优点是由于机械泵的流量增加，大大增加了功耗限制。强制液体冷却回路通常不会出现干燥条件，因为流体以单相流的形式存在。
在过去的几年中，对液体冷却系统的需求已经增加，并采取了许多措施来减少这些系统的相关缺点。设计师的两个主要目标是提高可靠性和减少尺寸。
电子和冷却行业的几家大的公司已经开发出了新的设计来实现这些目标。
液体泵、热交换器、风扇和储液器都被组合成一个组件，以冷板作为唯一的外部组件，如下图所示。为了便于安装，系统在工厂进行了预先组装，并进行了压力检查。高可靠性的配件也被用于减少泄漏的风险。
集成的强制液体冷却系统与风冷的解决方案
英特尔在开发其液体冷却解决方案时也很注重集成，旨在提高可靠性，降低成本。然而，英特尔将液体泵和冷板组合成一个紧凑的单元，如下图所示，
英特尔的集成冷板和液体泵总成
英特尔还声称，储层的主要目的是提供额外的流体，以弥补液体通过较长塑料软管的渗透损失。通过使用金属管，英特尔已经将流体损失减少到不再需要储油器的程度，如下图所示。
英特尔集成液体冷却回路
随着英特尔对液体冷却组件的改进，他们还开发了一个测试程序，以确保在生产时系统无泄漏和可靠，流程图如下图所示，
英特尔液体冷却系统测试流程图
首先测试电机，并在运行过程中监测转速。接下来，在系统内抽真空，以检查初始泄漏。
如果系统能保持真空，那么在压力下引入氦，并使用质谱仪检查所有组件、软管和连接的泄漏。最后，系统充满精确量的冷却剂并密封。
市场需求推动了高可靠性、低成本的冷却解决方案发展。
戴尔开发了一种液体冷却系统，以性能提高作为其主要目标。面向的是高端用户，如图形专业人士和游戏玩家。
除了前面描述的正常液体冷却组件外，H2陶瓷系统还引入了一个热电冷却组件，以将流体冷却到环境温度以下，如下图所示。
热电换热器
这种热交换器从液体中去除大部分热量，但不能将其温度降低到低于室内环境的温度。
液体被泵送入第二个热交换器，该热交换器使用热电冷却器进行冷却，通过使用低于环境冷却的液体，可以大大降低系统内组件的温度，从而产生更大的性能和更长的寿命。
为了实现这种性能，戴尔系统需要一个复杂的硬件来监测系统的温度和控制热电冷却器，以避免破坏冷凝。
总之，所有的液体冷却回路的运行原理都一致，即使用冷却剂将热量从一个组件传递到一个远程热交换器。
由于市场对提高热性能的需求，液体冷却系统的研究和开发将继续产生更可靠、更便宜和性能更高的解决方案。
参考文献
紧凑型热虹吸管的设计和性能评估，惠普实验室报告
英特尔先进液体冷却技术演示
超速CPU的混合冷却
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