关于某种高功率机柜液冷散热解决方案研究

摘  要：本文主要介绍了高功率机柜液冷散热的设计分析。着重分析了某液冷系统的关键设计技术，通过理论分析用于指导高功率机柜或其他设备液冷散热设计。

关键词：高功率、液冷、散热

1 引言

电子产品不断向微型化、集成化、高性能方向发展，散热问题越来越突出；GaN芯片、IGBT功率器件等热流密度已经达到1000 W/cm²，未来芯片的热流密度将超过2000 W/cm²；电子设备散热系统特殊要求（振动、噪声、凝露等），风冷已无法满足需求。电子芯片温度故障原因，55%以上是由于温度过高导致；一般来说芯片温度超过70℃，就需要降频单个半导体元件的温度超过额定工作温度10℃，系统可靠性降低约50%。因此，液冷降温方式作为大型数据中心、电子设备等产品新兴的制冷技术，逐渐被人们接纳并应用于计算机、数据中心、服务器、显控台、交换机及电子对抗等航天的各领域。

2 制冷原理

目前市场上的功率设备均是安装在柜式内，液冷散热的冷却液由外部引入设备，实现液冷散热。但是，很多场景是不具备该设计的条件，因此，设计了如图所示的闭式液冷散热系统。

系统在运行过程中，高功率的设备由于工作过程中发热，导致系统中的载冷剂吸收热量温度上升，载冷剂循环小系统利用循环泵带动载冷剂随系统运行。制冷剂小循环系统中压缩机推动制冷剂随系统循环，从压缩机出来的高温高压的气体在冷凝器中将热量释放，再经过节流阀实现节流降压后在蒸发器与载冷剂换热，保证给设备供液温度，实现设备的降温需求。

图1 系统原理

3 部件功能

压缩机：制冷系统的核心组件，类似于“心脏”。其作用是压缩和输送制冷剂，推动制冷循环；

冷凝器：将压缩机排出的高温高压制冷剂过热蒸汽冷却液体或气液混合物；

节流阀：使冷凝器出来的高压液体节流降压，使得液态制冷剂在低压（低温）下汽化吸热，维持冷凝器中为高压、蒸发器中为低压；

蒸发器：利用液态低温制冷剂在低压下易蒸发的特性，转变为蒸气并吸收热量，以达到制冷的目的；

循环泵：加速载冷剂的流动，加强水在换热器中换热的效果；

换热器：多为冷板，通过冷板内的低温载冷剂带走设备的发热量。

4 关键技术

4.1 换热设计

为实现对电子设备的换热，系统设计换热器与电子设备接触，通过热对流和热传导实现对设备热量的降温控制。根据热力学第一定律能量守恒定律，换热器和蒸发器、冷凝器的换热量相等，由于系统部件存在热损失以及转化效率，换热量设计关系遵守换热器＜蒸发器＜冷凝器。节流阀根据系统冷吨需求选择合适的口径，压缩机根据等熵效率选择合适的压缩机，同时，选择电子元器件时需要考虑整机允许功率、重量等。

表1 电子膨胀阀选取参考表

循环水泵作为载冷剂动力装置，电子设备的换热效率取决于系统的供液流量和压力，水泵的扬程和流量选型过程中需要针对系统的沿程阻力和局部阻力理论计算和仿真，选择合适的水泵型号。如图所示，不同的流量、温度和压力进入设备中，换热效果不同。

图2 设备热仿真结果分布图

4.2 控温逻辑

为了精确控制设备的温度，液冷系统运行中依据系统实际供液温度与设定供液温度的差值及其变化趋势、回液温度与实际供液温度差值的变化趋势等参数通过动态调整系统内液冷模块的运行数量，使得系统输出冷量与雷达热负荷相匹配，最终保证供液温度波动小且满足指标要求。

该智能控制技术在热负荷快速响应、供液温度精确控制、防压缩机频繁起停及防风机频繁起停等方面发挥重要作用。制冷量的变化主要通过压缩机的起停、加卸载等压缩机的状态变化和电子膨胀阀及热气旁通量等控制操作。其中，压缩机的起停、加卸载均是阶段性的，不能实现连续实时的调节，此类操作可作为粗调方式；而热气旁通操作可以实现实时连续的调节，可用于制冷量的精调，由此可以实现液冷液冷源能量的无级调节。

另外，在系统初启动阶段和运行阶段，由于环境温度的影响可能存在供液温度过低的状况，如图1所示，可以在载冷剂系统并联加热装置，解决系统载冷剂温度过低的场景。同时，为了保证供液温度的稳定性，在载冷剂系统接触式安装储能装置，内部装有可由温度变化而变化的材料，主要作用吸热放热，保证系统运行过程的温度稳定性。

通过系统指控技术、加热技术以及储能技术，可以实现系统换热控温的控制。

5 结论

本文针对某种高功率机柜液冷散热解决方案的研究，对系统原理的解决方案和技术难点解决技术进行了研究分析，充分考虑到了各种弊端，从原理、系统和控制上进行了优化设计，实现高功率设备的高效散热，保证设备长时间可靠高效地运行。

参考文献：

[1] 陆亚俊，马最良，邹平化.暖通空调.2007.11.

[2] 余建祖，高红霞，谢永奇.电子设备热设计及分析技术.2023.3.

[3] 沈维道，童钧耕.工程热力学.2007.6。

[4] 杨世铭，陶文铨.传热学.2006.8.

[5] 罗惕乾.流体力学.2005.4。