某液冷組件流道變形原因分析

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(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230031；2.永昇空調(diào)有限公司，江蘇 泰興 225400)

0 引言

液冷系統(tǒng)一般由泵、儲(chǔ)液箱、換熱器、過濾器、冷卻介質(zhì)、液冷組件、管路閥門及附件、控制和保護(hù)裝置等組成[1-2]，部分對(duì)水質(zhì)要求較高的系統(tǒng)還配備水處理裝置，用于水質(zhì)的凈化。

典型的液冷組件一般是功率器件、冷卻水套或冷板等的組合體，本文涉及的液冷組件就是屬于這一類型[3]。其中，冷卻水套或冷板為換熱器，用于進(jìn)行熱交換，將功率器件的熱耗傳輸?shù)嚼鋮s液中。為確保液冷系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，冷卻介質(zhì)一般使用主要成份為乙二醇的冷卻液。

1 問題描述

所述液冷組件由上、下兩個(gè)相同的異形冷板組合而成。流道位于其中，兩端為匯流槽，匯流槽處配有相應(yīng)的進(jìn)、出口及轉(zhuǎn)接接頭等，用于與外部液冷系統(tǒng)的連接。

該液冷組件所屬的液冷系統(tǒng)由5個(gè)支路構(gòu)成，系統(tǒng)的最大供液壓力為0.8 MPa，所述的液冷組件位于其中一個(gè)支路上，設(shè)計(jì)供液壓力約0.5 MPa，流量>8 L/min，該支路的組成如圖1所示。冷卻液為65#乙二醇防凍液。

圖1 液冷系統(tǒng)支路流程

在系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)過程中，該液冷組件的性能嚴(yán)重惡化并迅速失效。通過對(duì)失效液冷組件的拆解發(fā)現(xiàn)，冷板的流道變形明顯，外部變形情況如圖2所示。

圖2 流道外部膨脹變形實(shí)物

內(nèi)部變形情況如圖3所示，所裝器件也因?yàn)槔浒辶鞯赖淖冃萎a(chǎn)生損環(huán)。

圖3 流道內(nèi)部膨脹變形實(shí)物

從圖2、圖3中可以看出，冷板流道膨脹變形最大處在流道的進(jìn)出水口的匯流槽處。

2 故障分析

根據(jù)組件的故障部位，從設(shè)計(jì)、制造和使用等多個(gè)方面進(jìn)行故障的排查工作。從組件流道變形膨脹的表象來看，初步分析認(rèn)為是該支路內(nèi)部冷卻液壓力過高，超出組件材料的承受極限造成的，后續(xù)分析也將圍繞這一因素展開。

從設(shè)計(jì)方面來看，主要的可能因素有：液冷組件設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足、設(shè)計(jì)缺陷、液冷壓力超標(biāo)等因素。通過對(duì)液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)記錄的分析，聯(lián)調(diào)時(shí)水冷系統(tǒng)所有參數(shù)都在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，所以排除液冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，因此，在設(shè)計(jì)因素方面，只需要針對(duì)液冷系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)組件進(jìn)行力學(xué)分析及實(shí)驗(yàn)即可。

從使用方面來看，主要因素有：未按操作規(guī)程使用液冷系統(tǒng)、冷卻液變質(zhì)等因素。通過對(duì)系統(tǒng)調(diào)試記錄的查閱，均未發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作現(xiàn)象，只發(fā)現(xiàn)在聯(lián)調(diào)過程中，存在不同廠家及牌號(hào)冷卻液混用的情況，所以，在使用方面將重點(diǎn)分析冷卻液的情況，如冷卻液自身是否發(fā)生了膨脹，如發(fā)生了凍結(jié)等。

從制造方面看，有材料缺陷、加工超差、工藝流程等，因該組件為合格品，故制造因素為暫時(shí)作為備選項(xiàng)處理。

3 設(shè)計(jì)因素分析

3.1 力學(xué)分析輸入條件

3.1.1 工作壓力

從流程圖1上分析，該液冷組件所在支路設(shè)計(jì)工作壓力0.5 MPa，在以下幾種狀況下，工作壓力會(huì)增加直至系統(tǒng)的最大工作壓力0.8 MPa。

①供液側(cè)主截止閥開度過大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作壓力偏高。

②該液冷組件供液側(cè)支路截止閥開度過大，引起該支路的流量和壓力過大，此時(shí)，該液冷組件的供液壓力與系統(tǒng)的供液壓力相近。

③該液冷組件支路回液側(cè)的閥門沒有完全打開，引起所在支路壓力過大。

④回液側(cè)主截止閥沒有完全打開，引起所有支路壓力過大。如回液側(cè)主截止閥關(guān)閉，則所有支路壓力達(dá)到最大值。

從上述分析來看，該液冷組件實(shí)際情況的承受的壓力值應(yīng)該在0.5～0.8 MPa之間，力學(xué)分析以這個(gè)作為輸入進(jìn)行。模擬工況按工況一(供液壓力為0.5 MPa)和工況二(供液壓力為0.8 MPa)，即液冷系統(tǒng)正常工作時(shí)的壓力和最大壓力。

3.1.2 材料屬性

經(jīng)查該液冷組件的冷板圖紙可知，該冷板的加工主體材料為是T2，材料的狀態(tài)為硬態(tài)。查相關(guān)材料手冊(cè)[4-6]，銅T2材料的部分力學(xué)性能如表1所示。

表1 銅T2(Y)的材料屬性表 MPa

3.1.3 模型簡化

由于該液冷組件結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱，所以在針對(duì)該液冷組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)沖壓有限元分析時(shí)，只取上半部進(jìn)行分析處理，分析在供液壓力可能的范圍內(nèi)組件的內(nèi)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形。

3.2 力學(xué)分析

3.2.1 工況一的力學(xué)分析結(jié)果

通過三維建模及有限元分析，在工況一的情況下，經(jīng)過多輪逼近模擬運(yùn)算，該液冷組件局部應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 工況一液冷組件應(yīng)力云圖

應(yīng)力最大值為75.86 MPa，位于水道兩端匯流槽處。

3.2.2 工況二的力學(xué)分析結(jié)果

在工況二的情況下，該液冷組件局部應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 工況二液冷組件應(yīng)力云圖

應(yīng)力最大值為121.4 MPa，同樣位于水道兩端匯流槽處。

3.3 力學(xué)分析結(jié)論

比較力學(xué)分析的結(jié)果和表1中的數(shù)據(jù)，工況為0.5 MPa和0.8 MPa時(shí)，應(yīng)力均未超出表1中所示材料的屈服強(qiáng)度，組件不應(yīng)該出現(xiàn)流道永久性變形的情況，因此，設(shè)計(jì)導(dǎo)致流道變形的因素被基本排除。

4 使用因素分析

該液冷系統(tǒng)在聯(lián)調(diào)過程中，主要使用了兩種冷卻液，分別為20#和65#，分別為兩個(gè)廠家提供。為提高冷卻液的抑菌、緩蝕效果，冷卻液中都含有不同成份的添加劑[7]。因調(diào)試時(shí)間跨過冬季，且冷卻液在使用過程中存在混裝，冷卻液是否凍結(jié)成為了重點(diǎn)的排查因素。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，分別提取了液冷系統(tǒng)中的殘存冷卻液和現(xiàn)場兩個(gè)廠家的存貨，并根據(jù)實(shí)際使用的可能情況按表2進(jìn)行了樣品的準(zhǔn)備。

表2 冷卻液樣品表

試驗(yàn)流程及結(jié)果是，高低溫試驗(yàn)箱降溫到零下20 ℃，保溫10 min后，1#樣品出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，高低溫試驗(yàn)箱降溫到零下40 ℃，保溫10 min后，7#樣品出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，后續(xù)高低溫試驗(yàn)箱繼續(xù)降溫，直至零下45 ℃，并進(jìn)行了30 min的保溫，其余樣品都沒有出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象。圖6所示的為試驗(yàn)的最終狀態(tài)。通過對(duì)凍結(jié)的1#和7#樣品的表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有不明顯的凸起，顯示在凍結(jié)過程中，冷卻液有輕微的膨脹現(xiàn)象。

圖6 冷凍試驗(yàn)圖

從試驗(yàn)結(jié)果看，不同廠家和牌號(hào)冷卻液的混合沒有降低冷卻液的性能，也沒有導(dǎo)致冷卻液的變質(zhì)惡化。鑒于聯(lián)調(diào)現(xiàn)場的溫度沒有低于零下20 ℃，因此，在系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)過程中，冷卻液不可能凍結(jié)，故冷卻液凍結(jié)導(dǎo)致流道膨脹的因素被完全排除。

乙二醇冷卻液熱膨脹率大[8]， 熱膨脹也是一個(gè)可能因素，該液冷系統(tǒng)中設(shè)有排氣及體積膨脹緩沖裝置，故該因素也被排除。

5 制造因素分析

經(jīng)過上述分析可知，供液壓力和冷卻液凍結(jié)均不是導(dǎo)致該液冷組件冷板流道的變形的直接原因，因此，制造因素從備選項(xiàng)成為重點(diǎn)排查項(xiàng)，如本批次制造液冷組件的材料是否有缺陷，或是其它因素導(dǎo)致了材料的性能降低等。

為此，對(duì)該液冷組件冷板的結(jié)構(gòu)、工藝和材料進(jìn)行了查詢和分析，從源頭上，即圖紙和制作工藝上進(jìn)行進(jìn)逐步的排查。

在查詢到該液冷組件冷板的制作工藝時(shí)，發(fā)現(xiàn)該冷板為拼接件，存在焊接工序，該工序的基本要求為：采用銀焊焊接，整體焊接完成后，再作去應(yīng)力處理。因?yàn)樵撘豪浣M件尺寸較大，所以液冷組件的預(yù)熱在爐中完成。

根據(jù)這個(gè)工藝流程，對(duì)照相關(guān)的典型工藝可知，焊接用到的兩種銀釬料的熔點(diǎn)分別為779 ℃和595～605 ℃，預(yù)熱溫度按典型工藝的要求一般高于釬料30～50 ℃，預(yù)熱完成后，再進(jìn)行焊接操作。因?yàn)殂~T2材料的退火溫度一般為380～650 ℃[6-9]，所以冷板的主體材料在焊接加工的過程中，也完成了材料退火操作，力學(xué)性能有較大的下降。

銅T2材料在退火狀態(tài)下的主要力學(xué)性能如表3所示[4-6]。

表3 銅T2(M)的材料屬性表 MPa

根據(jù)圖5、圖6的有限元的數(shù)值分析并參照表3中退火狀態(tài)下銅T2的屈服強(qiáng)度：在0.5 MPa工況時(shí)，該冷板的局部應(yīng)力己超過銅T2屈服強(qiáng)度的最大值，在0.8 MPa工況時(shí)，己達(dá)到銅T2屈服強(qiáng)度最大值的近兩倍，因此，該液冷組件冷板的流道在實(shí)際情況下，存在膨脹變形的必然性[10]。

6 故障定位

綜上所述，這是一起因供液壓力超過材料的耐受極限而引起的故障。究其原因，在設(shè)計(jì)最初，材料是符合使用要求的，但后期的制造導(dǎo)致材料力學(xué)能大幅度下降，而在這一過程中，設(shè)計(jì)與制造之間未進(jìn)行有效的溝通。

7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為確認(rèn)上述結(jié)論，需通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)。為節(jié)省成本，該實(shí)驗(yàn)在專用液冷源實(shí)驗(yàn)臺(tái)上利用了己損壞的液冷組件進(jìn)行，并采用杠桿百分表進(jìn)行變形膨脹的觀察。

模擬導(dǎo)致壓力超高的工況，逐步提升系統(tǒng)供液壓力，進(jìn)行液冷組件流道變形與壓力的關(guān)系評(píng)測(cè)。當(dāng)供液壓力達(dá)到0.7 MPa時(shí)，杠桿百分表指針出現(xiàn)輕微擺動(dòng)，當(dāng)供液壓力達(dá)到1.0 MPa時(shí)，杠桿百分表指針出現(xiàn)大幅度擺動(dòng)，同時(shí)內(nèi)部貼裝的功率器件發(fā)生破碎和掉落現(xiàn)象。因試驗(yàn)是在流道己膨脹的液冷組件上進(jìn)行的，按金屬冷作硬化的規(guī)律，此時(shí)材料的強(qiáng)度比初始狀態(tài)有所提升[11]，故供液壓力和形變的工況均高于力學(xué)分析的結(jié)果。

8 改進(jìn)措施

8.1 應(yīng)急措施

應(yīng)急措施的目的是確保在現(xiàn)有的條件下，該液冷組件流道不變形和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的正常進(jìn)行。這個(gè)應(yīng)急措施的指導(dǎo)思想是限壓，即在該液冷組件支路增加限壓裝置或是限壓閥，確保該支路的供液壓力不超過0.5 MPa。

首先對(duì)組件流道的特性曲線，也就是供液壓力與流量的關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試記錄如表4所示。

同時(shí)，在系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果后，暫時(shí)固化回液測(cè)截止閥，使之無法調(diào)整，防止誤操作產(chǎn)生，如在回液側(cè)截止閥全關(guān)的情況下開機(jī)。

表4 測(cè)試記錄

可得該液冷組件流道的特性曲線如圖7所示。

圖7 液冷組件的流道特性曲線

在這一特性曲線的基礎(chǔ)上，在支路上增加了限壓裝置，如圖8所示。

圖8 測(cè)壓限壓裝置

8.2 長期改進(jìn)措施

長期改進(jìn)重點(diǎn)在提升液冷組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使之符合現(xiàn)有液冷系統(tǒng)的要求。具體措施包括兩個(gè)方面，第一個(gè)方面是對(duì)該液冷組件的流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，如流道的網(wǎng)格化處理、增加蓋板厚度、在局部弱點(diǎn)增加加強(qiáng)筋等，可以有效地降低結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，如圖9所示，網(wǎng)格化和局部加強(qiáng)筋使0.8 MPa的工況下結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力最大值降到70 MPa以下。長期改進(jìn)措施的另一方面是在不影響組件電性能、傳熱性能的基礎(chǔ)上，更換強(qiáng)度更好的材料，如H96銅，其退火態(tài)的屈服強(qiáng)度可達(dá)到120 MPa左右。

圖9 改進(jìn)后工況二應(yīng)力云圖

這兩個(gè)措施綜合使用，將完全杜絕流道變形的可能。

9 結(jié)束語

液冷相關(guān)的組件，在實(shí)際應(yīng)用前，應(yīng)測(cè)試流道相應(yīng)的特性曲線，給出最佳的工作點(diǎn)等參數(shù)，同時(shí)進(jìn)行液冷相關(guān)極限值的測(cè)量和試驗(yàn)，如壓力、流量等，作為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

結(jié)構(gòu)件的實(shí)際力學(xué)性能，在參照材料本身的前提下，還應(yīng)綜合考慮工藝、工作環(huán)境等因素。

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