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水冷漫談(二)——水冷散熱器工藝與設計原則

日期:2019-08-06

水冷散熱器,是水冷散熱系統的重要組成部件,也是熱設計工程師最多關注的部件??梢圆还鼙皿w、儀表、換熱器等等,但是涉及水冷的設計,散熱器一般是繞不開的。

一、制成工藝

水冷散熱器,通俗來講就是,導熱體內部設有流道,灌注一定液體工質,為器件散熱。所以水冷散熱器有千差萬別的形式和制作工藝。

1鉆孔式:早期的主要加工方式,下圖為賽米控的Skiip II中的應用,為增強對流,圓孔中塞有麻花狀繞流子。此種加工工藝簡單,成本低,但熱阻大是硬傷,原因后面會詳述。此外,鉆孔的流道大都是垂直相交,流動阻力相對較大。        

          

2 型材

擠型材可以算作鉆孔的升級版,相對于鉆孔的光滑圓管,擠型材可以自帶小肋片。另外流道的形式也可以是矩形,散熱性能有望提高,但流道仍然是垂直相的,阻力比較大。

 

從制成工藝上講,平行鋁扁管也屬于型材類別。早期多用于換熱器,Tesla電池組中用作散熱器,使其名聲大噪。適用于比較分散的熱源。

3 鑲嵌管道

解決管道漏液問題的產物,部分防腐蝕的場合,也有嵌入不銹鋼管的情況。管道貼近熱源,導熱的熱阻降低,但受折彎半徑的影響,管道相對稀疏,面對熱源比較集中的散熱場合顯得力不從心。

 

 4. 壓鑄

與機箱一體化設計,保證產品的高防護等級,近期在電動汽車領域應用比較多。壓鑄鋁材導熱系數比較低,受拔模角度的影響,翅片密度不可過大,但是流道設計比較靈活,翅片可做成流線型,小翅片叉排布置。 

5. 銑槽型

在鋁板上銑出槽道,借助CNC,可以加工出密集的靈活的水道,保證散熱器具有較低的熱阻。

6. 復合焊接型

在鋁板中加工比較大的空腔,將沖縫波紋狀的鋁箔填充進去,借助釬焊工藝焊接成一體。這種散熱器擴展表面積比較大,熱阻較低。在賽米控Skiip IV中有所應用。 

7.吹脹工藝

一個老工藝,主要應用于制冷行業,用來加工冰柜的蒸發器,這種散熱器成本很低,可以流水線生產,但是整個金屬板厚度有限,而且管道的吹脹高度也有限制(一般不超過3mm),所以,用作水冷散熱器的話,適用于低流量,低功率密度的場合,且不可用于承受應力。 

8 新型的水冷散熱器

這是Jason前年(2016)年接觸到的新的水冷散熱器加工工藝:在金屬(一般為鋁或銅)板上,加工出密集的針狀翅片,每英寸接近20個針,而且每個針都自成螺旋狀,可增強繞流。帶針翅金屬板填入流體腔道中,通過攪拌摩擦焊等方式焊接為一體。該散熱器具有較低的熱阻。廠商說明,針肋的高度不可超過8mm,但對于水冷散熱器,已經足夠。 

水冷散熱器的加工工藝需要根據產品的應用場合,以及散熱器的附加屬性綜合考慮來選取。例如,電動汽車驅動器,防護等級為IP67,而且散熱器與外殼均需要足夠的結構強度和剛性,因此,散熱器與外殼一起壓鑄成型成為首選,盡管從散熱角度,壓鑄散熱器并不是最好的形式。

考慮到承壓問題,流道多采用焊接方式密合。目前應用比較廣泛的兩種焊接為攪拌摩擦焊和釬焊。

攪拌摩擦焊是利用帶有特殊形狀的硬質攪拌指棒的攪拌頭旋轉著插入被焊接頭,與被焊金屬摩擦生熱,通過攪拌摩擦,同時結合攪拌頭對焊縫金屬的擠壓,使接頭金屬處于塑性狀態,攪拌指棒邊旋轉邊沿著焊接方向向前移動,在熱-機聯合作用下形成致密的金屬間結合,實現材料的連接。

攪拌摩擦焊的優點:

1)     可提高熱處理鋁合金的接頭強度

2)     焊接前鋁合金無需表面去膜,焊接過程中無需惰性氣體保護;

3)     沒有氣孔出現;

4)     較小的焊接變形

5)     無需其他材質焊料

缺點:

1)  焊接結束由于攪拌頭的回抽,焊縫的末端留有“匙孔”,需要特殊處理

2)  焊縫寬度限制

3)  被焊零件需要由一定的結構剛性或被牢固固定來實現焊接。

釬焊是利用熔點比母材(被釬焊材料)熔點低的填充金屬(稱為釬料或焊料),在低于母材熔點、高于釬料熔點的溫度下,利用液態釬料在母材表面潤濕、鋪展和在母材間隙中填縫,與母材相互溶解與擴散,而實現零件間的連接的焊接方法。美國焊接學會(AWS)規定釬料液相線溫度高于450℃所進行的釬焊為硬釬焊,低于450℃所進行的釬焊為軟釬焊。

就在昨天,冰河傳熱微信群中還有人問鋁材水冷散熱器,能不能用錫焊實現。錫焊屬于軟釬焊,因為軟釬焊中釬料與母材的成分及電極電位相差很大,易使接頭產生電化學腐蝕,所以水冷散熱系統中,很少有人用錫焊。

釬焊的優點:可以大面積焊接,對于銑溝槽型散熱器,窄肋片也可以和蓋板焊接,增加散熱器的強度;

缺點:

1)     釬焊溫度控制比較難:鋁及鋁合金的熔點與所用的硬釬料的熔點相差不大,釬焊時可選擇的溫度范圍很窄,溫度控制稍有不當就容易造成母材過熱甚至熔化,使釬焊過程難予進行;

2)     事先不可陽極氧化

3)     可能產生虛焊、氣孔

攪拌摩擦焊和釬焊各有優缺點,但從節能環保方面,攪拌摩擦焊更有優勢,近些年比較火熱。
 

 

二、水冷散熱器的設計原則

1. 基材的選擇:盡量避免一個系統中有兩種電極電位差較大的金屬,減少電化學腐蝕。

2. 流量的確定:由于水冷的系統比較龐大,一般不會對整個系統做仿真分析,而是先設定水冷散熱器流量,再根據對應的系統流動阻力匹配水泵??偀崃亢凸べ|的物性參數確定后,流量和溫升成反比

若溫升較高,則水冷系統的換熱器(冷卻水用)需要設計的比較大;若溫升過低,則需要選用比較大的水泵。因此溫升過高或過低都會引起成本的增加?;诮洕钥紤],常常有個經濟型溫升范圍,也就同步確定了散熱器的流量。

3.水冷流道截面的設計

經理論推導,對流熱阻與截面的水力直徑成正相關的關系。

也就是說,其他條件相當,水力直徑越大,對流熱阻越大。我們知道,水力直徑D=4A/X,其中A為流道截面積,X為流道截面周長,也就是說,截面積相等的條件下,周長越大,水力直徑越小,對流熱阻越小。

因此,下圖中,誰優誰劣就一目了然了。 

4.流速的限制

基于Lytron的一份基礎研究報告,流速超過一定限值,工質會破壞金屬壁面的氧化保護膜,造成沖蝕。不同的金屬,限值不同,鋁材最好低于2m/s。因此,限定了流量之后,流道總的截面積也基本限定了。

5.流道的高度

翅片的效率是關于對流換熱系數的減函數,所以液冷散熱器的翅片并不需要太高。之前有見到將流道高度設計為20mm的情況,事實上,降低翅片高度,熱阻有可能降低。

由此可見,水冷散熱器的設計,特別是平行矩形翅片類型的水冷散熱器,設計參數并不是隨心所欲的。認為水冷散熱比較簡單的,大多是因為熱流密度還不夠大。

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