水冷散热系统的设计原理与关键组件选择

水冷散热系统的设计原理与关键组件选择

水冷散热系统在高功率散热领域具有显著优势，其散热效率是传统风冷方式的20倍以上。本文将详细介绍水冷散热系统的设计原理、分类以及关键组件的选择和计算方法，帮助读者深入了解这一高效散热技术。

水冷散热的原理非常简单：在一个密闭的液体循环装置中，通过泵产生的动力推动液体循环，将热沉吸收的芯片产生的热量带到面积更大的散热装置进行散热。冷却后的液体再次回流到吸热设备，如此循环往复。

由于水冷散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，可以解决几百至数千瓦的散热问题，在激光、军工、医疗、电力电子、工业设备等行业有着广泛的应用。

水冷散热系统的分类

根据二次换热器换热方式的不同，一般情况下可以将水冷散热系统分为以下三种类型：

1. 空气冷却系统：主要由水冷板、水泵、水箱、热交换器和风机组成。该系统结构简单，是最经济的水冷系统。

2. 冷水机组冷却系统：由压缩机、水冷板、冷却塔等部分组成。这种方式水温可以精确控制在环境温度以下，制冷量大。

3. 液体冷却系统：不含压缩机，主要由液体交换器、水泵、水箱等组成。低噪音、体积比冷水机组小一半以上。

水冷板的选择和计算

冷板作为水冷系统的重要组成部分，主要是将发热元器件产生的热量与冷却液充分交换。为了确保器件的发热表面在被液体冷却时能把所耗散的热量尽量全部带走，器件与冷板的接触和冷板的热阻就显得尤为重要！

设计适当的冷板，需要确定如下参数：冷却液体流速，冷却液体进口温度，安装在冷板上发热器件的热耗散功率，冷板表面允许的最高温度Tmax。已知这些参数，您就可以确定冷板的最大的允许热阻并且通过热仿真分析验证。

• Tout：冷却液体出口温度
• Tin：冷却液体进口温度
• Q：冷板上发热器件的总热耗散功率
• ρ：液体的密度
• V：冷却液体流速
• CP：冷却液体的比热容

计算冷却液体出口最高温度Tout。这个是非常重要的，如果Tout大于Tmax，那么，冷板将不能解决发热问题。

假设Tout小于Tmax，下一步需要确定冷板的标准化热阻（），使用如下方程：

• ：热阻
• Tmax：冷板表面允许的最高温度
• Tout：冷却液体出口温度
• A：被冷却区域的面积
• Q：冷板上发热器件的总热耗散功率

系统其他部分设计

管道系统和阀门

管道系统和阀门是水冷系统硬件重要组成部分，主要包括快速接头、管道、各种功能阀门（流量控制阀）、过滤器、其它管接头及密封件等。

管道的尺寸（如直径、长度等），应根据冷却液的流速来确定：

其中，Qv为水流量（m3/h）；U为水流速（m/s）。可计算管道的直径。系统的管道材料，考虑到冷却介质特殊要求，全部采用无缝不锈钢管，局部用聚胺脂管。

冷却液

必须对冷却液的热传递能力、冰点和黏度、沸点和分解温度、绝缘性能、腐蚀性、可燃性、毒性、费用等加以考虑。常用冷却液有水、乙二醇溶液、硅油等。

泵

泵是冷却系统中的主要部分，其目的是为了使冷却剂以能够克服冷却回路中总流体摩擦热所需的流量进行循环。冷却系统中的常用的泵有离心泵，旋涡泵和齿轮泵。

选择泵主要依据冷却系统所需的流量Qv及压头H来确定。为了便于调节，通常水泵的总扬程应比冷却系统所计算的压力约大15%～20%，流量应比计算值约大15%～20%。