第10章 热电冷却器、换热器和机柜空调¶
3）已知热端温度、TEC 型号、工作电流和要解决的热量，推断冷端温度和工作电压。
工作电流和工作电压的获得，除了为电路板的硬件设计提供参考，还可以计算出 TEC 引入的新的热量，从而为系统层面的热设计配合方案提出要求。通过工作电流、工作电压以及可解决的热量，可以核算出 TEC 实际的 COP 值。将实际的 COP 值与规格书中的 COP 曲线对应，就可以获知当前所选的 TEC 工作点所处的效率区间。通过分析工作点效率区间的位置，便能够知晓当前型号的 TEC 从工作效率层面是否合理，应该朝哪个方向优化。以上述问题 1）的场景来具体举例这个过程。参考的 TEC 型号是纳米克 TEC1-07108，表 10-1 为其基本参数表。
表 10-1 纳米克 TEC1-07108 基本参数表 \(^{[6]}\)
| $T_{\text{h}}$ /°C | 27 | 50 |
| $DT_{\text{max}}$ /°C | 70 | 79 |
| $V_{\text{max}}$ /V | 8.9 | 9.6 |
| $I_{\text{max}}$ /A | 8.0 | 8.0 |
| $Q_{\text{cmax}}$ /W | 46.6 | 48.9 |
| $R_{\text{AC}}$ /Ω | 0.86 | 0.94 |
对 TEC 而言，当运行温度不同时，由于电气性能变化，上文所提及的关键参数也将有所不同。此例中，取热端温度为 \(50^{\circ}\) C 的性能参数。
假定需求场景为发热芯片功耗 20W，要求温度控制在 \(26^{\circ}\) C，依此计算此 TEC 的工作点（工作电流和工作电压）。
10.3.1 确定工作电流¶
芯片温度控制在 \(26^{\circ}C\) ，热端控制到 \(50^{\circ}C\) ，得出冷热端温差为 \(24^{\circ}C\) 。又已知制冷量为 20W，在这个基础上，通过规格书中的制冷量、电流、温差图（见图 10-3），可以获知工作电流应为约 4A。
注意，此处在计算温差时，忽略了两个因素：①TEC 和芯片之间的接触热阻：实际设计时，由于有接触热阻，所以 TEC 冷端的温度要保证低于芯片目标温度；②芯片热量在其他方向的散逸：假设芯片的发热量全部从 TEC 冷面被吸入。
此处 4A 的电流指的是 TEC 工作稳定之后的电流，实际启动时，工作电流会稍大。在某些 TEC 规格书中还提供有电压、电流和温差线图，此时，可以在此图中将对应的电压线找到，并使得温差为零（初始状态冷热面温差为零）。回溯获得初始电流值，如果规格书中并未提供此图，则通常按照稳态电流值的大约 1.2 倍设置，这一点对 TEC 的供电电路设计有重要参考价值。
10.3.2 确定工作电压¶
工作电压可以根据规格书中的电流、电压、温差线图查知（见图 10-4），方法是在 4A 的工作电流线上找到 \(24^{\circ}\) C 温差对应的电压值。在此 TEC 中，工作电压为约 4.4V。
依工作电压和工作电流，可计算得：为实现当前热传量并维持所要求的温差，所需输入功率为 \(P_{in} = IV = 4A \times 4.4V = 17.6W\) ，换算知此时 TEC 综合效率系数为 COP = 20W/17.6W = 1.14。电压和电流是硬件工程师设计 TEC 供电电路的关键信息。
10.3.3 确定 COP 值和选择高效 TEC 的迭代方式¶
除了直接计算，COP 值还可以在 COP、电压、温差线图中查知（见图 10-5）。
对于单层 TEC，COP 值通常在 0.4 \~ 0.7 之间 \(^{[7]}\) ，此假设场景中的 TEC 工作状况效率已经相当不错。
从图 10-5 中，不仅可以查知 COP 值，还可判定在此工作温差、工作电压下 TEC 工作的最高效率点。实际的 DT = 24℃，根据图 10-5 所示规律，显然其 COP 曲线介于 DT = 30℃ 和 DT = 20℃ 之间。按照图 10-5，实际的 COP 工作点位于最优值的右侧，这意味着需要降低工作电压才能提高其制
冷效率。根据 TEC 的选型步骤反推回去，会发现在维持 \(DT = 24^{\circ}C\) 的前提下降低工作电压，工作电流也会降低，最终获知当维持 DT 在 \(24^{\circ}C\) 时，TEC 最高效率点附近其制冷能力小于 20W，于是可以获得以下迭代筛选高效率 TEC 的思路：
当然了，除此之外，TEC 型号的实际确定还需要考虑产品内部其他诸如结构空间、电路设计等多方面因素。
10.3.4 TEC 与系统的匹配¶
通过上面的选型步骤实例，一开始就假定热面的温度要控制到 \(50^{\circ}C\) ，因此采用的 TEC 参数都是热面在 \(50^{\circ}C\) 时的性能。这样，该 TEC 为实现 20W 的功耗转移能力，当控制芯片结温到 \(26^{\circ}C\) 时，需要输入的额外电能为 17.6W。为了达到这样的效果，系统必须满足以下两个要求：
1）TEC 热面装配的散热器能够在维持热面温度为 \(50^{\circ}\mathrm{C}\) 的前提下，稳定地散失 37.6W（芯片发热量 \(20\mathrm{W} + \mathrm{TEC}\) 输入功率 17.6W）的热量；
2）电路的设定，需要能够支持 TEC 的电流、电压等电气需求。
由此，不难看出，TEC 的设计选型需要电路和散热器的匹配设计，而且散热器的热负荷等于芯片发热量与 TEC 输入功率之和。当 TEC 的 COP 值不高时，为了将芯片的特定功耗及时转移，TEC 需要更高的输入功耗，这样不仅使得设计方案能效降低，还会增加散热器的热负荷，给热量的最终转移带来困难。因此，TEC 的选型是一个迭代过程，在最终选定 TEC 前，需要采用上述方法对比多个 TEC 的综合效率值，选择能效比最高的热电冷却器，实现最节能、外部散热系统设计需求最小的方案。
注意，常规 TEC 能长期承受的压强为 20～30psi，建议选取黏度较低的硅脂 / 凝胶或较柔软的导热垫片作为其与发热元件及其与散热器之间的界面材料。
10.4 换热器工作原理¶
换热器又称为热交换器，是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，如图 10-6 所示。
在电子产品热设计领域，换热器的主要应用场景是将密闭机柜中的热量带出。对于机房热管理，换热器则是用来将机房内的热量及时转移到户外。换热器还是液冷散热系统中热量最终散失到环境中的部件。换热器根据工作介质的不同分为以下三种：
热交换器不同于散热器的关键点在于其引入了两份互不掺混的流体介质。热交换器中，被冷却对象是流入的热流体，而这些热量会被流入热交换器的冷流体带走。下例将详细描述一个空气 - 空气热交换器的内部流道和工作过程。
假设该换热器应用到如图 10-7a 所示的机柜中。机柜内部的热风通过机柜的内循环风机吸至换热器，进入内部气体流道；机柜外部新鲜冷风则通过外部风机驱动，不断被吸入换热器中的外界气体流道。内部热风和外部冷风在热交换器内完成换热。叉流式和逆流式换热芯体内，内部和外部的风流动路径分别如图 10-7b 和 c 所示。
通过热交换器的工作过程可以发现，换热器可以在不直接给机柜内引入新风的前提下将其内部的热量及时转移走，从而有效避免室外空气中的水、灰尘以及有害气体等对设备内部模块的影响，保证产品较高的防护等级。
10.5 换热器的选型¶
热交换器的性能参数包括热交换能力、几何尺寸、重量、应用环境温度、噪声等。其中，热交换能力是换热器的关键参数，表示每摄氏度温升换热器能够支持的换热量。任何介质的换热器选型的理论基础都相同，但关注的参数略有差异。下面用一个空气 - 空气换热器的例子阐述换热器的选型步骤。
10.5.1 确定需求¶
任何散热部件的选择，产品的热需求都是首要依据，换热器的选择同样如此。换热器选型时，需要确定的边界条件如下：
确认流体类型的同时，需要依此确定应当选用的换热器材质。常用的换热器材质为铝、铜和不锈钢，各自适应不同系列的流体。户外柜产品中通常使用的是空气 - 空气换热器，液冷散热中则可能是液体 - 液体换热器，以及空气 - 液体换热器。
10.5.2 计算换热效率¶
根据进口的冷热流体温度以及要求的换热量，计算以温度差为基准的换热效率系数。
在换热器规格书中，一般会附有换热能力表。空气 - 空气换热效率通常接近常数，即换热能力与温差之间表现为一个线性相关，如图 10-8 所示。
根据换热效率系数、发热侧和冷却侧两侧流体的流量，就可以查知符合换热效率系数的换热器。
通常来讲，换热效率计算公式中，柜内要求温度 \(T_{1}\) 和外界环境温度 \(T_{2}\) 基本都是已知的，这样，计算设备总体的冷却需求（即要求换热器从机柜内向外转移的总热量）就成为关键。总体冷却需求一般由两部分组成：
1）柜内电子模块的热耗；
2）外界向柜内传递的热量。¶
其中，柜内电子模块的热耗在设计产品时可与硬件工程师共同确定，较为容易；而外界向柜内传递的热量则相对复杂。实际工作过程中，如果柜体工作在太阳直射的区域，则柜体表面将会吸收太阳辐射热。太阳辐射强度产生的热量又有一部分会被反射，只有部分会被机柜吸收。因此，要计算某机柜总的冷却需求，需要知道如下几个条件：
换热器需要转移的总热量为
结合环境温度和机柜内温度差（一般为 \(10 \sim 15^{\circ}C\) ），就可计算出换热器需要满足的换热效率，从而选择合适的换热器型号。
例 假设某机柜宽 0.8m，深 0.6m，高 1.8m，机柜内共有三个电子模块，发热量分别为 200W，150W 和 50W，当地太阳辐射强度为 \(400W/m^{2}\) ，柜体可见光吸收率为 0.15，环境温度最高为 \(55^{\circ}C\) ，机柜内要求温度不超过 \(65^{\circ}C\) ，求其换热器应当满足的换热效率。
解 机柜内电子模块的发热量总和为
机柜表面积为
柜体吸收的太阳辐射热量为
实际运行中，机柜壁面与外界环境之间存在温差，因此会有部分热量通过自然对流换热转移到环境中（机柜漏热），这个换热量可用如下式（10-3）计算
式中，C 为传热系数，表示 \(1^{\circ}\) C 机柜内外温差下的换热效能，单位为 \(\mathrm{W}/(\mathrm{m}^{2}\cdot^{\circ}\mathrm{C})\) 。该值与机柜材质有关，通常可按如下值进行估算（不考虑绝热设计）：
钢板、不锈钢为 \(-5.5\mathrm{W}/(\mathrm{m}^{2}\cdot^{\circ}\mathrm{C})\) ;
铝为 \(-12\mathrm{W}/(\mathrm{m}^{2}\cdot^{\circ}\mathrm{C})\) ;
塑料为 \(-3.5\mathrm{W}/(\mathrm{m}^{2}\cdot^{\circ}\mathrm{C})\) 。
在本例中，假设机柜为不锈钢板，则在要求的环境温度和机柜温度下机柜漏热量为
因此，换热器应当满足的换热效率值为
确定换热效率值之后，结合产品噪声、尺寸、成本、防护等级等要求，就可以筛选出满足要求的换热器。
注意：
对于空气 - 水换热器，换热器的换热能力与柜内温度以及入水口温度、入水口流量呈正比。如图 10-9 所示，在选型时，除了冷却需求，还需要结合进口水温度以及进口水流量进行筛选。必要时，还应查验换热器压降，核算系统中水泵的动力是否足够。
10.6 机柜空调¶
当出现如下情况时，需要考虑使用机柜空调：
3）外部环境特别脏或者含有油污。¶
从工作原理上分类，机柜空调有两种：①通过热电制冷的 TEC 空调；②通过压缩机制冷的压缩机空调，如图 10-10 和图 10-11 所示。
空调的选型和热交换器非常接近，其关键同样在于确定两个参数，即确定产品冷却需求和机柜内外的温差。当获知这两个参数后，根据规格书中的性能曲线，就可判断其是否满足要求。
正如前文所述 TEC 的优缺点，TEC 空调的制冷能力相对较小。图 10-12 所示为某款 TEC 空调的性能曲线。假设已知环境温度为 \(35^{\circ}\) C，机柜内温度也要求控制到 \(35^{\circ}\) C，可计算得温差为 \(0^{\circ}\) C。在性能曲线上可以查得在这样条件下空调的制冷能力为大约 550W。对比产品冷却需求数值，即可获得结论。
思考 环境温度不同，为何性能曲线也不相同？
对于压缩机空调，情形基本相同，如图 10-13 所示。当已知柜内温度和环境温度时，就可以确定某空调的制冷能力。
空调规格书中的制冷性能曲线形式可能不尽相同，但总体来讲，都包含环境温度、柜内温度和冷却能力三个变量。需要注意的一点是，当由于柜内温度低于环境温度而不得不使用空调时，机柜漏热是负值，也就是说外界的热量会以自然散热的方式透过机柜壁传入机柜内，在计算冷却需求时需要考虑该值。
10.7 本章小结¶
热电冷却器、换热器和机柜空调是部分电子产品中要用到的物料，具备模块化特征。热设计系统的整体性决定了模块化的产品也必须与系统本身的需求和表现相匹配。各个参数只有在与系统匹配的前提下才是有效的，否则均无法用来判别其当前运行状况。本章详细解读了这三种物料的各关键参数，并对其选型设计步骤做了阐述。作为一个模块，换热器和空调本身的优化设计方法与一个常规的电子产品无异，本章未予赘述。感兴趣的读者可以联系作者，针对特定问题进行讨论。
参考文献¶
第 11 章¶
液冷设计¶
11.1 液冷设计概述¶
液冷设计利用了液体工质的移热效率比气体高的特征，是电子产品功率发展到一定阶段后的热管理方案。热量转移过程有大量液态流体参与的热设计方案，可以认为是液冷设计。从这个意义上讲，虽然热管、VC 内也有液体存在，但这些液体分量极小，其循环也不必使用泵，而是借助重力或者毛细力实现回流，其充当的是一种低热阻的导热结构件，因此热设计领域一般并不将热管和 VC 的使用归类到液冷设计的范畴。
通常，根据发热元件与液体介质的不同接触方式，液体冷却又被分为直接液冷和间接液冷。
11.1.1 直接液冷¶
直接液冷又称浸没式液冷，即将设备直接浸泡在液体中进行冷却的方法，如图 11-1 所示。浸没式液冷在变压器产品中应用已久，但 3C 行业目前技术仍不成熟，未得到大规模商用。其难点在于冷却液的稳定性、系统的密封、系统内部的压力控制等。
浸没式液冷的维护面临很大挑战。浸没式液冷的工质一般有矿物油和氟化液两类。其中，矿物油沸点高，不易挥发，密封要求低。但矿物油黏度较大，将设备取出冷却池后，将附着大量工质，难以处理（见图 11-1b）。而电子氟化液黏度低，易挥发，设备取出冷却池后附着的液体少且会迅速挥发，无工质附着问题，便于插拔线缆、更换板卡的动作，但由于沸点低（见表 11-1），挥发性强，设备密封性要求极高，否则冷却工质的散逸会持续降低冷却效率。氟化液价格高昂，定期补液不仅会增加维护费用，还将提高冷却成本，冷却剂的泄露有时还会对环境产生影响，因此，密封不严对低沸点工质的直接液冷系统影响很大。
表 11-1 3M 电子氟化液的沸点 \(^{[1]}\)
| 名称 | 成分 | 沸点/°C | 包装容器 |
| NovecTM7000 | 氢氟醚 | 35 | 玻璃容器/金属罐装 |
| NovecTM7100 | 61 | ||
| NovecTM7200 | 76 | ||
| NovecTM7300 | 98 | ||
| NovecTM71PA | 氢氟醚共沸混合物(NovecTM7100 95% + 异丙醇 5%) | 54.5 |
使用低沸点工质的浸入式液冷系统，密封性设计还要考虑设备内部的气压问题。工质的持续沸腾生成的气体会增加系统内部的压强，如果工质的冷凝环节出现故障，导致沸腾的气体不能及时重新液化，那么内部的气压就可能丧失平衡，逐渐上升，甚至导致 “爆缸” 等毁灭性事故。因此，直接液冷设计需要一整套综合管理系统，充分考虑复杂系统各部分的异常情况处理。
11.1.2 间接液冷¶
间接液冷实际上就是常见的冷板或冷头 + 冷排的设计。元器件发出的热量通过连续流动着液体的冷板带走，流经冷排时热量散逸，温度降低。降低温度后的流体再返回冷板，继续吸热，如此完成循环，如图 11-2 所示。间接液冷是目前主要的冷却方式。本书如无特殊说明，所有液冷均指间接液冷。
