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如下圖所示,包含幾個重要組件:水冷板(cold plate),熱交換器(radiator),風扇(fan) 幫浦(pump),水箱(reservoir) 。水冷系統工作時,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。

Optimal-Liquid-Cooling-chinese

水冷管路的配置可隨熱源數量和系統內的空間而變化,熱源的串接可分為串連與並聯兩種;串連的好處是管路安排比較單純,流過每一個水冷板的水量一致,缺點是水溫會持續提高,愈下游的熱源溫度愈高;並聯的好處是熱源溫度相當,但管路安排較為複雜。

Liquid-cooling-cold-plate-2

液態冷卻最明確的優勢在於液體的比熱和熱傳系數遠高於空氣,所以效率遠高於傳統氣冷。
用生活中的感受來舉例,假設坐在泳池邊,氣溫20°C,只需短袖衣物人體感受相當舒適;若突然跳入泳池中,假設水溫同為20 °C,應該會感到冷顫,需激烈的游動保持體溫,或是立刻離開水中。同樣是20°C,人體在水中流失的體熱遠高於處於空氣之中,差異非常明顯。

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

▲ 水冷板

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