3.直接强迫液体冷却当热流密度超过3.1×10^3～4.65×10^3W/m2，或内部有较集中的热源时，应采用直接强迫液体循环冷却。图1所示为电子元器件完全浸渍于冷却剂（如硅油、变压器油）中的强迫冷却系统，一个低压泵迫使冷却剂流经电子元器件、印制板，当冷却剂吸收热量后，进入气-液热交换器被冷却，再由泵输送回系统中，形成一个循环。膨胀箱允许液体膨胀，减少系统内的蒸气堵塞。
图1为了避免冷却剂渗漏、蒸发和外界物质污染，直接液体冷却系统要设计成密封系统，而且应该采取措施，减小由液体温度升高而产生的压力。这些措施包括：① 在容器内填充部分空气（或惰性气体），利用气体的压缩性来补偿液体温度的升高而产生的体积膨胀。容器的结构和密封性，应适应内压增高的要求，防止元器件的损坏和产生永久性变形。② 将整个部件（含冷却剂）加热至预期的最高温度（组装件的工作温度），再对容器进行填充和密封。③ 应保证冷却剂与热、电、化学和机械等多方面的相容性。二、间接液体冷却间接液体冷却系统的设计，主要应保证热源与热沉之间有良好的导热通路，尽可能减少接触热阻。间接液体冷却与直接液体冷却相比有如下特点：① 冷却剂不与电子元器件相接触，减少对电子设备的污染；② 可使用传热性能良好的冷却剂，并在热负载和环境条件发生变化时，能进行温度调节；③ 维修方便、简单。1.导热模块具有高组装密度的多芯片模块（MCM）的热量，用一般的冷却技术（如风冷）已无法满足要求，特别是对那些大型计算机的高性能微处理器更是如此。图2是IBM3081计算机中微处理器的导热模块结构示意图，导热模块包含多层陶瓷基板、118个芯片、导热活塞、加载弹簧、模块罩、氦气和水冷冷板等，冷却液（水）与发热芯片不直接接触。采用这种导热模块后，芯片的热流密度可达20W/cm2。
图2实验证明，功耗为4W的芯片，当冷板水的入口温度为24℃时，芯片的表面温度有59℃。传热路径上各个热阻的典型值分别叙述如下：① 芯片内热阻Rc。芯片表面的热流量是均匀的，其背面与活塞是点接触，热量大多只能通过接触点周围（即芯片中心区域）传至活塞，这就相当于有一个收缩热阻。按有效散热半径r与芯片本身总有效半径rc的比值来确定其Rc值。本例Rc=0.43℃/W。② 芯片到活塞的热阻Rc-p。它由接触点的导热热阻、辐射热阻和对流热阻组成。要求此热阻尽量小，本例Rc-p=2.9℃/W。③ 活塞本身的热阻 Rt。由芯片传来的热量大部分集中在活塞的端部，然后再扩散到其他部位，这就形成一个扩散热阻（或称为收缩热阻），其值可以用圆锥体断面导热公式计算，得Rt=1.02℃/W。④ 从活塞到模块罩的热阻Rp-h。可利用两块延伸平面或类似散热器的换热进行计算，其值约为2.15℃/W。⑤ 模块罩本身的热阻Rh。由罩壁热阻R1和罩盖热阻R2串联组成，如图3所示。L1是罩壁导热路径长度，L2是罩盖厚度，罩壁内径为dh，罩的外侧宽（正方形）为dc，kc和kh分别为罩壁、罩盖导热系数，则Rh为
⑥ 模块的总热阻Rin t。即上述各热阻之和，本例为8.08℃/W。
图3假设冷板水的温度为24℃，即可求出允许的最大芯片功耗值，即
式中 Δtj-c——结至外壳的温升；tj——节点温度；tf——水温度；Pm——模块的总功耗；Re st——外热阻（从罩盖至水冷冷板的热阻，本例约为0.02～0.04℃/W）；Pc——芯片功耗；Ri nt——模块内热阻。三、热交换器1.热交换器（换热器）的类型电子设备中常用的热交换器有下列几种：① 列管间壁式。列管间壁式的结构是多种多样的，冷流体在管内流动，热流体在管外流动（或绕流），两种流体在壁面上进行热交换。根据管内外冷、热流体流向的不同，此类热交换器可分为顺流、逆流、叉流和往复流四种，如图4所示。
图4② 紧凑式热交换器。紧凑式热交换器可分为螺旋板式、肋管式、内肋片式和板翘式等几种，图5所示是电子设备中常用的两种结构形式。板翘式热交换器的特点是传热系数高、结构紧凑、质量轻和经济性好，但阻力较大。
图5③ 冷板。冷板是一种单流体的热交换器，如图6所示。其中（a）为扁管式冷板，它由两块金属平板在相应的位置上冲压成凹槽，再用滚焊将两板焊成一个整体，两凹槽对接在一起，形成冷却液体流通的通道，通道的形式可根据需要而定，可以是圆的、方的或椭圆的等。通道的布设可根据发热元器件的位置及散热的要求进行设计，冷板的其余部分可作为安装元器件用的底板。利用这种冷板式间接液体冷却可使结构做得非常紧凑。图（b）是板翘式冷板，可以用做大功率器件和印制板组装件及高密度组装器件的冷却装置。ATR机箱两侧风冷冷板和相控阵雷达固态收发组件用的冷板均属此类结构。
图62.热交换器设计计算热交换器热计算的基本方程包括冷、热流体的热平衡方程和热交换器的传热方程：热流体
冷流体
传热
式中 qm1、qm2——热流体和冷流体的质量流量（kg/s）；cp1、cp2——质量定压热容（J/（k g ·℃））；t1′、t1′′、t2′、t2′′——进口和出口温度（℃）；K——热交换器的传热系数（W/（m2·℃））；A——传热面积（m2）；Δtm——对数平均温差（℃）。热交换器的热计算可分为两类：第一类为设计计算，即给出qm1cp1、qm2cp2及四个进出口温度中的三个，求另一个温度和KA的值。它是以求换热面积为目的的。第二类为校核计算，即通过给定的KA、qm1cp1、qm2cp2、t1′和t2′，求解t1′′和t2′′。① 对数平均温差法对数平均温差Δtm的计算是基于下列假设进行推导的：冷、热流体的质量流量和定压质量热容是常数；K是常数；换热器无散热损失；沿轴向导热量忽略不计；任一流体不能既有相变又有单相介质换热。图7是顺流和逆流时工作液温度变化的情况。经过推导，对数平均温差Δtm可用下式计算
式中 Δt′——入口处的温差（顺流）；Δt″——出口处的温差（顺流）。
图7上式也适用于逆流换热器的Δtm计算，此时Δt′表示热流体入口温度与冷流体出口温度之温差或热流体出口温度与冷流体入口温度之温差中的大者，Δt″表示其中的小者。其他流动组合的对数平均温差，可以由上式求得假想逆流的对数平均温差，再乘一个修正系数εΔt，而εΔt与下列两个参数P、R有关，即
根据流动形式及P、R，由图8查得εΔt，则该流动形式的Δtm为
图8对数平均温差法，可用于热交换器的设计计算。其步骤如下：● 根据已知条件，由热平衡方程式求出另一个未知温度；● 由冷、热流体的四个进出口温度，求出对数平均温差Δtm，若是叉流、混合流形式，则要注意修正系数εΔt的计算；● 初步布置换热面，并计算相应的传热系数；● 由传热方程式求出所需之换热面积A，并核算两侧流体的流动阻力；● 若流动阻力过大，则应重新进行设计。② 有效度-传热单元数法（ε-NTU法）两种流体的热容量（qmcp）之比被称为热容比，即
当qm1cp1＜qm2cp2时，Ψ=（qm1cp1）/（qm2cp2），当qm1cp1＞qm2cp2时，Ψ=（qm2cp2）/（qm1cp1）。有效度（ε）是热交换器中实际换热量与最大可能换热量（温差最大）之比值。当qm1cp1＞qm2cp2时
当qm1cp1＜qm2cp2时
由此可见，当已知ε时，热交换器的换热量可根据两种流体的进口温度进行计算，即
而两种流体的出口温度则可以利用其热平衡方程式求得。采用ε-NTU可对热交换器进行校核计算和设计计算。其校核计算步骤如下：● 计算传热系数K；● 计算NTU及（qmcp）mi n/（qmcp）ma x值；● 计算或查相应图表得ε值；● 计算传热量Φ；● 利用热平衡方程式计算t1′′和t2′′。
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