技术干货 | 液冷板流道设计与优化思路详解
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本期给大家带来的是关于液冷板流道设计与优化思路研究内容，希望对大家有帮助。
整个液冷散热系统，包含液冷板、液冷介质、泵、水管&散热器等部件。
一般来说，常用的液冷工质的热物理属性如下表所示，
由上表可以看出，液冷介质的选取对整个系统的散热效率影响是固定的，在其他条件不改变的情况下，优先考虑满足环境条件需要（海拔、环境温度等），成本低的介质。
然而，液冷板也是液冷散热系统中的重要一环，是液冷系统的换热部件，内部具有换热槽结构，即流道。
其内部流道设计差异，对整个系统的换热效率影响很大，存在很大变数。
所以，今天我们不讨论液冷的介质，今天就以纯水为例，分析水冷板的流道设计与优化思路。
在水冷板的结构设计中需要考虑以下几点，
换热性能要求：流速、进出水温差设定情况下，实现热源的温升目标，以及散热器热阻目标，其换热性能的要求；
强度、压力要求：有些项目，因为使用环境、处于系统内部的安装要求，会对水冷板表面压力，整体受力情况作特别说明。
防腐蚀要求：液冷介质长期在流道流动，受到高温影响，会加剧金属材料的破坏，甚至是堵塞，影响散热效能；
防泄漏要求：盖板、上下端面的设计，密封条，甚至是焊接方式等设计都能实现防泄漏的手段；
低成本要求：从生产加工可行性、材料选取、工序复杂度，流阻、热阻等维度，减少泵压力，工时等带来的成本。
为了满足以上要求，需要从材料、结构设计、制造方法等方面进行综合设计考量。
冷板材料选取
冷板的材料影响水道与冷却水的换热性能，采用高导热系数的材料制作冷板，能够有效减少系统总体热阻。常见以铝、铜为代表的材料属性如下表所示，
铝合金作为最常用的散热材料，其具有导热系数高、密度小、加工性能好、抗腐蚀性能好、物理和力学性能好等优点。
铝制型材的防腐蚀工艺成熟，能够保证水冷板的长时间可靠使用。
电子产品所采用的铝制散热片的材料为50、60系列，例如AL5051，60601，6063等，其具有良好的导热特性，良好的抗腐蚀性能、加工性能，适合阳极氧化，适合CNC加工出比较复杂的流道。
关于实际项目，需要多大的流量评估，之前的文章中有介绍，这里不赘述，感兴趣的可查看原文，关于2.7KW水冷板热设计仿真技术直播知识点回顾
这里研究的是，在确定好水流量，基本的压降要求等需求前提条件下，水冷板流道设计与优化的思路、方法。
冷板流道基本样式
冷板流道样式主要分为：平面、W式、环状、圆柱、阿基米德螺旋水道等。
下面分别按图示进行简要说明，平面型如下图所示（图片来源：微电子散热模组流道设计与散热效能之研究），
平面水冷板实体图
W式水冷板实体图
环状水冷板实体图
圆柱水冷板实体图
这里是拿圆柱型水冷板做典型案例，内部还可以是矩形截面的柱子，或长条形散热片作为增强水流的接触面积。
阿基米德螺旋水道实体图（图片来源于网络，如介意请联系删除）
参考这个实物，用solidworks将其三维结构设计出来，如下图所示，
单循环水道
双循环水道
通过多种组合，还可以达到很多意想不到的效果，因为其它原因，这里就不过多阐述，感兴趣的可以自行发挥，如果有项目设计需求，或技术支持，可以联系我（yanshanYH）。
以上，是比较典型的几种水冷流道设计，下面我们看看关于其优化设计的思路。
流道优化思路
水冷板的流道优化设计思路、原则，其实和风冷的风道优化设计有比较相似的地方，
对于风冷的散热方案设计，风道优化设计原则可参考文章：关于电子产品热设计风道优化的几个原则
增加回路：初步规划水流流道设计后，通过数值仿真，发现散热效率不满足要求，热阻较高，此时可考虑增加回路，比如单循环变成双循环，甚至更多，增强换热；
增加散热面积：在内部结构空间允许的情况下，可以适当在流道内部增加圆柱、方形肋片等，以错排、顺排方式进行优化；
优化内部水流速度：进水口的截面积一定时，内部水流流道截面积越大，其速度会越小，这样不利于快速换热，当然，也不能单纯的把截面积缩小促进流速，这样会导致流阻变大；
均衡水冷面积：尽量将流道均衡铺满经过热源的接触面，在面积、空间较小的特殊情况，阿基米德螺旋水道是个不错的选择；
避免短路：进出水口很近的情况，多利用水道设计的肋结构，将水道延长，分布于热源的正下方，避免水流直接从进水口流入出水口；
避免水流过长：在热源分布比较特殊的情况，比如垂直方向分层时，一般设计思路可能是流道，由下而上或者由上至下进行，但会导致后端温度和前端温度温差变大，此时可以考虑分层单独冷却；
尽量减少弯道、弯道尽量圆滑过渡：弯道会增加水头损失，增强了内部流阻，如果避免不了，那尽可能将弯道圆滑过渡，增强散热面积同步减少压降。
当然，在做以上优化设计时，需同步确认系统内部流阻、热阻、结构强度（表面压力等）等是否满足项目实际要求限制，同时尽可能考虑生产加工的可行性，以及成本。
优化设计方法
假设分析：在原先项目的基础上，假设水道按内部增加散热面积、缩小截面积、增加回路等优化思路，分别计算其理论的结果；
数值仿真：根据分析结果，建立多种水道设计模型，并在要求的环境中进行仿真模拟，对仿真结果进行对比分析；
实验测试：建立实验模型和测试，验证假设分析和数值仿真的结果。