冷板的类型及冷板设计中考虑的因素

冷板的类型及冷板设计中考虑的因素

随着数据中心对绿色节能和高效散热的需求日益增长，液冷技术逐渐成为研究热点。冷板作为液冷系统中的关键组件，其设计和选型直接影响到整个系统的散热效果和可靠性。本文将详细介绍冷板的类型及其设计中需要考虑的关键因素，帮助读者更好地理解这一重要技术。

热设计的根本资源是空间，包括温升空间和几何空间。在当前绿色节能数据中心的趋势下，能耗空间也逐渐成为一个新的设计限制。同风冷中的散热器一样，液冷中冷板散热器的关键功能是将热量高效传递给流动的液体（通常需要翅片状设计以增加固体壁面和流体的接触面积）。液体的粘度更高，且存在固定的边界，故此液体的流动方向更易被约束，液冷板内部翅片方向也需要将冷液体导向更需要移热的位置。将液体固定在密闭空间中，防止漏液，也是液冷板的关键功能（因此焊接是影响冷板长期可靠性和散热性能的关键工艺）。

本书第三章对散热器的描述更多偏向风冷散热器，但其思维方式和优缺点分析依据同样适用于冷板。下文简要描述了几种常见的从热设计角度分类的液冷板。

冷板的类型

1. 一体翅片式：翅片和基板之间是一体的，没有接触热阻。可能涉及到的工艺：铲齿、CNC、钎焊、搅拌摩擦焊、激光焊。3D打印和粉末冶金技术也在逐渐开始被在冷板领域应用。图6-8展示了使用铲齿和CNC工艺制作的冷板。

图6-8 ，一体翅片式冷板：铲齿翅片（左）；CNC翅片（右）

2. 内置翅片式冷板：基板加工出腔体，翅片单独加工，将翅片通过焊接、粘接等工艺连接到翅片基板上，形成整体冷板。这种场景下，翅片和基板之间存在接触热阻，优势是翅片单独加工，放开了工艺限制，翅片可以用冲压、冷锻、折叠Fin等工艺实现。部分场景下，甚至可以使用泡沫金属充当腔体填充物，或使用3D打印进行增材制造，实现极大对流换热面积。可能涉及到的工艺：压铸（基板）、CNC、冷锻、铝挤、冲压、折叠齿片、3D打印、焊接。图6-9展示了使用不同形式的内置翅片的液冷板。

图6-9，内置翅片式冷板

3. 铣槽式冷板：铣槽式冷板是通过机加工出流道，再通过焊接或密封条 + 螺钉紧固的方式盖上盖板制成的冷板。其对流换热面积较小，同时流阻也比较小，适用于发热量不是很集中但整体热量较大的场景。可能涉及到的加工工艺：CNC、压铸、焊接。图6-10展示了铣槽式冷板的形态。

图6-10 铣槽式冷板

4. 嵌管式冷板：液体在管道内流动，基板上对应加工槽道，将冷管压入基板上，部分场景下，冷管会被两块基板夹在中间。加工相对方便，优缺点与铣槽式冷板类似。不同之处是冷管和基板可选择不同材质，流体工质适应性更强。可能涉及到的工艺：CNC、弯管、焊接或粘接。图6-11展示了两种不同的嵌管式冷板。

图6-11 嵌管式冷板

5. 冲压式和吹胀式：这两种冷板的特征是基板较薄，产品工作压强相对较低，但冷板轻，量大时生产效率高、成本低。

冲压式液冷板的基板使用冲压工艺冲出流道，然后与铝板焊接到一起。其内部液体工作压强取决于焊接强度，整个水冷板承压能力取决于所选铝板材质和厚度。吹胀式则是用石墨印刷法在铝板表面形成石墨线路，将两片铝板放置高温下维持一段时间，然后进行热轧加工成复合铝板。退火后钻孔到石墨层并撬开进气口，冲入高压流体，将石墨材料吹出，同时，在印有石墨的线路上胀起形成流道。吹胀式冷板承压能力较弱，当上方放置较重物体，为防止变形，通常需要设置加强筋。

这两种冷板目前在储能电池包中应用广泛。吹胀加工工艺在两相流产品中被广泛使用，非常成熟。图6-12展示了冲压式冷板和吹胀式冷板的形态。

图6-12 冲压式冷板（左，中）；吹胀式冷板（右）

6. 薄壁液体通道冷板：流道通常是挤出工艺形成，两端焊接集液板或集液管做成冷板。部分场景中也被称为口琴管。在流道较长的情况下，成本较低。一些电池包中，侧壁冷却有时会采用此设计。这类冷板重量小，传热面积均匀，适宜热量不集中的场景。这类结构有时也用于制作两相流传热部件。图6-13展示了口琴管截面图和成品冷板形态。

图6-13 薄壁液体通道冷板

冷板设计中考虑的因素

1. 冲蚀：腐蚀速度和流速有关，过高流速会加大冲蚀速率。前文化学兼容性一节有简述冲蚀机理。

2. 堵塞：充液前对系统管道进行清洗并检测出流液体的洁净度，使用反渗透膜（Reverse Osmosis）过滤冷却液中的杂质，持续检测冷却液的洁净度，通过过滤装置控制液态工质中的颗粒粒径。液体中的固体杂质如果具备尖锐的角度，还可能划伤快接插头上的O型密封圈，导致液体渗漏。

3. 形变：液冷板中工作压力较大，有时绝对压强甚至达到0.5Mpa级别，当底板材质较薄或强度较低时，可能导致底板产生塑性变形，宏观上表现为鼓包，造成和芯片接触不良。因此，水冷板在设计时需要考虑应力应变的计算。

4. 平面度：冷板的一面通常要通过导热界面材料接触热源芯片，平面度不佳会导致界面材料厚度较厚，接触热阻加大。

5. 流阻、传热面积以及流动路径的权衡：加大翅片数量或通过增加折弯数量拉长流动距离会增加对流换热面积，但这也会导致冷板流阻加大。通过优化设计，取得流阻和管路布局及换热面积的最佳匹配值，是冷板热设计中的关键点。

6. 漏液：漏液是液冷设计中可靠性甚至安全性的瓶颈因素。作为热量交换场所，流体在此处的流动和温度状态发生剧变。由于要扩展面积，冷板通常要加工薄壁或针肋式等高比表面积结构，通过焊接工艺将薄壁或形成封闭式腔体。焊接形成了界面，成为漏液风险源。同时，冷板作为一个模块，需要和流道进行连接，连接处也构成界面，也是漏液风险源。另外，冷板所施加的位置通常是系统中热流密度最高的位置，其附近电路结构密集，漏液带来的后果也更严重。冷板制造完成后，进行无损探伤、保压测试、氦检等是必要的。与外部连接好管路后，拉拔力测试、洁净度测试也必不可少。

当前，多数冷板内进行的是单相冷却，且液体温升幅度不大，因此翅片间距往往在流动方向上是恒定的。随着热流密度的加大，相变液冷板可能会逐渐增多。相变冷板内进行的过程也有很多，从相变程度上大致分为两类：

1. 沸腾式冷却：冷却液在热源表面被部分汽化，进入的液体输出时变成干度不同的气液混合体

2. 闪蒸式冷却：冷却液在热源表面被全部汽化，进入的液体输出时全部是气体

沸腾或闪蒸式冷板的内壁通常需要做表面沸腾强化处理，提高相变效率。气液相变后，相同质量的流体体积变化巨大，其整个腔体内翅片的形态和排布需结合气液相变状态进行特别设计（如出口处气体较多，流速较快，适当加大翅片间距，降低阻力。气液相变核心处则降低翅片间距，加大局部对流换热面积），进一步提高表面换热效率。在液体沸腾表面，气泡不断形成和转移，伴随热量的迅速转移，流体速度在局部发生跳变，很容易造成冲蚀。气泡的演变和分布则在剧烈影响壁面对流换热系数。当壁面温度仅稍高于液体饱和温度时，少量气泡生成，但气泡热量迅速传递给流动的液体发生湮灭，表面对流换热系数不是很高。随着壁面温度的升高，气泡生成量提高，脱离速度加快，对近壁面处的流体形成剧烈扰动，对流换热系数快速提高。当温升过高，气泡生成量巨大以至于在壁面处形成一层连续的气膜时，流动的液体无法接触到壁面，壁面处的对流换热系数反而很低。

在这两者之间，就存在一个热流密度的临界点，称为临界热流密度（Critical Heat Flux，CHF）。当壁面温度继续升高，气膜内的辐射换热被大幅度加强，等效对流换热系数又被加大，但这时壁面温度往往已经远远超过流体温度，非特殊材质的壁面甚至可能已经熔毁。提高临界热流密度是目前（2024年）相变传热学的关键研究课题。当前，部分高集成度芯片的表面热流密度已经超过100W/cm2，多数未经特殊处理的固体壁面相对液态水的临界热流密度就在此值附近（此时壁面温度比饱和水温度高约30℃，即水的过热度为30℃）。在外部流体条件不变的前提下，提高临界热流密度常用的方法是壁面的表面处理，包括机械加工、电化学沉积、烧结、涂布、3D打印等工艺，设计特殊的微纳尺度形貌以及亲疏水介质分布，控制气泡的形成、生长和转移速率。因此，当热流密度极高，需要两相冷板进行散热时，冷板厂将可能由目前的机加工厂演变为一家材料公司。

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[21] 漏水检测报警与监控.液冷服务器需不需要用到漏水感应线.
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[22] John Roach. Microsoft finds underwater datacenters are reliable, practical and use energy sustainably.https://news.microsoft.com/innovation-stories/project-natick-underwater-datacenter/.2020