小型液体冷却装置的研究与应用

丁东旭,袁广超,陈 恩,郭 建,汤继保,钟根仔,张潘群

(合肥通用机械研究院,合肥,230031)

1 研究背景

现代生活中电子设备已经渗透到了民用、厂矿、国防等各个方面,电子设备的可靠性对于人们的生活起着越来越重要的作用。随着电子行业的不断发展,对电子设备体积提出了小型紧凑的要求,而电子设备的功能和复杂性日益增长,这样在有限的体积范围内,电子设备的功耗不断增长,热流密度急剧上升,导致电子设备的温度迅速提高,从而引起了电子设备的故障越来越多,表1是随温度变化的电子元器件失效率及比值。

一般是在电子设备内部采用风扇 (常见的有离心、轴流、螺旋桨等形式的风扇),以加大空气流量,强化电子器件的散热;这种方式很明显的加大了电子设备的体积。

液体冷却方式具有以下优点:

(1)液体在闭合环路中循环,能力损失小。

(2)液体的比热比气体大的多,冷却效果比风冷更好,可以实现更多热量的转移。

(3)液体冷却装置可以外置,有效的减少电子设备的体积。

某电子设备散热负荷为1.2 kW,要求冷却介质为乙二醇水溶液 (该冷却液由去离子水+约56%(重量比)乙二醇+缓蚀剂/防腐剂组成);供液温度小于58℃;供液流量大于3 l/min;供液压力大于0.5MPa;最大外形尺寸为600mm(L)×300mm(W)×330mm(H);重量小于15kg;针对该要求,我们进行了小型液体冷却装置的研究。

表1 高低温时部分元器件失效率及比值

2 小型液体冷却装置概述

小型液体冷却装置的主要功能是提供一定温度和流量的冷却介质,冷却介质与电子设备进行换热,带走电子设备产生的热量,为电子设备提供一个良好的工作环境。其主要的特点是不占用电子设备内部的空间,为电子设备的紧凑性、高效性发展提供了良好的支持;并且在电子设备附近均可放置,体积小,重量轻,具有较高的供液压力,能适应温度的变化,同时具有供液温度和供液流量显示、远程操控、报警等功能。

小型液体冷却装置的工作原理如下:

水泵将乙二醇防冻液以一定流量、压力输送至换热电子设备中;进入换热电子设备后,乙二醇防冻液通过换热吸收换热电子设备产生的热量而升温,同时换热电子设备得到冷却;升温后的乙二醇防冻液回流至液体冷却装置,进行二次热交换,交换出来热空气由风机抽出,使乙二醇防冻液温度降低;被冷却后的乙二醇防冻液回流至水泵,再由水泵输送到换热电子设备中重新进行循环换热,周而复始;换热器组件中设有800W的不锈钢电加热,当液体温度低于-20℃时,先开启水泵、电加热对乙二醇防冻液进行预热,当系统中乙二醇防冻液的温度升到0℃以上后停止加热,然后系统转入正常工作。其流程原理图见图1。

图1 小型液体冷却装置的工作原理图

3 设计分析

针对电子设备技术要求,进行了系统的分析与研究。其主要设计点在于保证外形尺寸的前提下,控制整体设备的重量,同时符合整体设备的性能要求。

根据换热计算以及整体设备的布置,确定换热器的尺寸与型式。对风机、水泵进行选型,对温度传感器、流量计、电加热、过滤器进行了选型与确认。为了更好地控制重量,保证体积要求,单独对控制系统进行了开发设计。

3.1 换热器/水箱组件

铝制板翅式换热器是目前国内最先进的换热设备,它具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用适应性强等优点,在航空、化工、HVAC等领域具有不可替代的地位,本设计将换热器与水箱设计为一体,进一步减少了设备的体积和重量,并且在水箱上设置有电加热安装口,电加热采用端面密封形式,有效的实现低温预热功能。

3.2 水泵

水泵属于小型液体冷却装置的重要部件,冷却液体通过泵产生的动力,输送至电子设备,对其进行换热。针对技术要求,其主要难点在于流量小,扬程高,在同类设备中,其它类水泵在低温密封以及体积重量上无法满足要求。对此我们选用了磁力驱动齿轮泵,该泵使用了磁力驱动,它具有无脉动、寿命长、无泄漏的优点,具有更小的体积,运动部件少,备件及维修需求小;动密封的磁力驱动设计使得轴端不再需要动密封,保证了泵的无泄漏运行,坚固而稳定的轴支撑能确保泵在高速运行时齿轮的精确啮合,保证了泵运行的平稳,计量的高精度以及泵的长寿命。

3.3 电气控制

小型液体冷却装置控制系统由一台控制箱、执行器件 (如水泵、风机、电加热)、现场传感器和与其配套上位机监控软件组成,其控制系统图见图2。

图2 控制系统图

机组控制箱内嵌于机组内,是控制系统的主要部分,用于接收、传送和处理各种控制信号,采用DSP控制作为控制系统的核心部件。控制箱面板通过指示灯可对电源信号、自动运行信号、综合故障信号进行指示,并有控制机组自动运行的启停按钮和风机、水泵、电加热的强制开关。

为了达到远程控制要求,机组控制箱提供一个RS-422串行接口,并由上位机监控软件进行信号识别和控制,可以对液冷源进行远程控制、运行数据显示和报警提指示等。

机组控制箱的控制功能有:

1)系统的模拟量参数检测与显示:回液流量和水箱温度检测,其采集和显示的流程见图3。

2)故障报警与保护:

回液流量低:当回液流量低于3 l/min时,控制系统报警。

图3 模拟量参数检测与显示框图

水箱温度高:当水箱温度高于58℃时,控制系统报警。

4 试验验证

我们在低温环境下,以及高温环境下对整体设备的控制功能等进行了验证。主要考核点在于高低温状态下控制功能是否正常,流量显示、温度检测是否正常,是否满足电子设备换热要求。

4.1 低温实验

将小型液体冷却装置放置在实验箱中,在低温-40℃的环境下,放置时间为24h,随后对设备进行开机,控制功能正常,开机启动时,发现水泵转动,但是流量无显示,对设备进行检查,发现水泵出口无流量,但电机转动。

针对该问题进行了分析研究,水泵在低温环境下,电机扭矩不够,造成无流量,对此,我们在提高环境温度为-35℃的环境下,再次对小型液体冷却装置进行验证,此时水泵运行正常,对此,我们验证了低温条件下,电机扭矩不够的观点。

针对该问题,如加大水泵选型,其外形尺寸以及重量均不满足要求,因此只有对该水泵进行改进,单独改善水泵电机的工作环境,使其满足要求。

因此在水泵电机外壳上缠绕电加热带,电加热带功率为100W(当温度低于启动电加热带的设置值时,开启电加热带预热),再次在低温试验箱进行验证,水泵运行正常,流量显示要求。

图4 低温运行图

在低温环境下,因其要求在小于-20℃时,需开启电加热,使其温度升高,根据计算,我们选用800W的电加热,开启电加热后,系统内温度逐渐升高,在外界无任何负载的情况下,最后其温度在-20℃左右稳定。

4.2 高温实验

将小型液体冷却装置放置在实验箱中,在高温50℃的环境下,放置时间为24h,随后对设备进行开机,控制功能正常,流量以及温度检测均正常。随后电子设备工作,供液温度逐渐升高,最终稳定在57℃左右。

图5 高温运行图

5 结论

通过对小型液体冷却装置的研究,解决了在有限的体积范围内的电子设备的散热问题,并通过试验验证,证明其可应用在宽温范围内 (-40～50℃),并具有较好的报警功能和可靠性,为电子设备的紧凑、高效发展提供了良好的基础,可在民用、厂矿和国防事业上进行推广应用,具有较好的应用前景。

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