水冷系統

在高功率或是高熱通量的應用,當傳統的氣冷系統散熱方式性能不足,無法維持發熱源的安全運作溫度時, 高熱傳性能的液態冷卻方案便是需要考量的選擇。完整的液態冷卻系統包含底下幾個重要組件:水冷版(cold plate),熱交換器(radiator),風扇(fan) 幫浦(pump),水箱(reservoir) 。

金屬製造的水冷版與熱源貼付, 帶走來自熱源工作時的熱能,冷水流進入水冷板後,在腔體內循環將熱帶出,透過管路到熱交換器與冷空氣換熱。溫度降低的液體再經由管路回到水箱,經幫浦加壓,再流往水冷板做下一次的循環。

液態冷卻最明確的優勢在於液體的比熱遠高於空氣,所以熱傳導係數(h)很高,效率遠高於傳統氣冷。

用生活中的感受舉例,人在20℃的氣溫下覺得很舒適,只需短袖衣物即可; 或是處於20℃的泳池中,若不激烈的游動,很快便感到冷顫需要上岸; 由此可知同樣是20℃,人體在水中流失的體熱遠高於處於空氣之中。

水冷方案有幾個優勢:

  • 高熱對流係數 (h) 空氣1~1,000 (W/m² K) 水 液體 50~10,000 (W/m² K)
  • 透過管路和幫浦設計,擴展性較高
  • 可對應較高功率和高熱通量需求

各產業的發展與進步,在於系統能力與功率的提升,水冷系統性能優於氣冷方案,但也較為複雜,常用於電力電子元件系統,雷射系統與醫療系統。
水冷系統開發時有許多設計選項和參數需彼此權衡,工程師在滿足熱需求的同時,同時還需要考慮其他的相關項目,盡量的降低開發與製造成本。

  • 散熱性能
  • 熱交換面積與壓力損失
  • 管路分配,幫浦負荷與能力
  • 流量分配與穩定性
  • 重量/尺寸

 

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