劉 寧, 朱彩霞, 路向陽, 劉 青

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 451460； 2.中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

液冷系統(tǒng)中冷板的設(shè)計及網(wǎng)絡(luò)建模優(yōu)化研究

劉 寧1, 朱彩霞2, 路向陽2, 劉 青1

(1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 451460； 2.中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

通過分析現(xiàn)有散熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點，設(shè)計了一種S型通道冷板和多支路并聯(lián)的液冷系統(tǒng)，以使芯片數(shù)量多、位置分散、功率各不相同且對空間尺寸要求嚴格的電子設(shè)備滿足均衡有效散熱的需求。利用Fluent軟件對S型通道冷板進行換熱和流動特性數(shù)值分析，利用MacroFlow軟件對整個液冷系統(tǒng)進行流體網(wǎng)絡(luò)模擬和加阻優(yōu)化分析。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的液冷系統(tǒng)能夠使分散式散熱的電子元器件實現(xiàn)有效散熱。

液冷；分散式；并聯(lián)；流量分配

隨著電子元器件向輕量化、微型化發(fā)展，其單位體積功率劇增[1]，造成芯片溫度越來越高；而過高的溫度會大大降低設(shè)備或系統(tǒng)的性能，嚴重影響電子產(chǎn)品的質(zhì)量和運行的可靠性[2]。液冷散熱是高功率密度電子元器件最常用的散熱方式[3]。但分散式散熱的多支路并聯(lián)液冷系統(tǒng)精度要求高、實現(xiàn)難度大，相關(guān)研究較少。本文針對芯片數(shù)量多、位置分散、功率各不相同且對空間尺寸要求嚴格的電子設(shè)備的散熱需求，設(shè)計了一種基于S型通道冷板的多支路并聯(lián)的液冷系統(tǒng)，并使用Fluent軟件和MacroFlow軟件對S型通道冷板和液冷系統(tǒng)分別進行了數(shù)值模擬和優(yōu)化分析，為實現(xiàn)分散式散熱的電子設(shè)備均衡有效散熱提供了參考。

1 液冷系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 液冷系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

該液冷系統(tǒng)由制冷塊、微型液壓泵、風(fēng)冷式散熱器、儲液器4部分組成。作為液冷系統(tǒng)的核心部件，制冷塊由冷板和芯片(模擬電子元器件熱源)組成。芯片產(chǎn)生的熱量通過冷板傳遞給冷板中的冷卻液，從冷板吸收了熱量流出的冷卻液由微型液壓泵驅(qū)動流到風(fēng)冷式散熱器，將吸收的熱量散發(fā)出去，再由微型液壓泵驅(qū)動流回冷板，形成一個完整的循環(huán)過程[4]。實驗中采用水作為冷卻液。

該系統(tǒng)由3條支路并聯(lián)組成，負載芯片功率分別為155 W、230 W、300 W。為了實現(xiàn)各支路芯片均衡散熱，需要合理調(diào)節(jié)每條支路的冷卻液流量。本設(shè)計通過在各支路添加阻尼閥門，調(diào)節(jié)管路中冷卻液的壓力和流量，以實現(xiàn)各支路冷卻液流量的平衡分配?？傮w設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 液冷系統(tǒng)設(shè)計圖

1.2 S型通道冷板的設(shè)計

冷板作為液冷系統(tǒng)中芯片散熱的關(guān)鍵部件，其流道截面尺寸和結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計直接影響其散熱能力。本文設(shè)計了一種流道為S型、截面為矩形的冷板[5]，冷板材質(zhì)選擇比熱容較高的紫銅。冷板模型尺寸及平視圖如表1和圖2所示。

設(shè)計目標為：環(huán)境溫度為25 ℃，冷板中冷卻液溫度為30 ℃，進口流速v=0.6 m/s，流道進出口冷卻液溫差≤5 ℃，冷板可冷卻最高功率300 W的電子芯片，且保證芯片表面溫度≤45 ℃。

表1 冷板模型相關(guān)尺寸 mm

圖2 冷板模型平面視圖(單位 mm)

由冷板模型尺寸、冷卻液物性參數(shù)及流體流動經(jīng)驗公式(1)、(2)可計算得出冷板的對流換熱系數(shù)，再結(jié)合能量守恒公式(3)、(4)，經(jīng)過多次計算分析，可得出：當芯片發(fā)熱功率為300 W，冷板內(nèi)冷卻液吸收的熱量Q1等于芯片散發(fā)的熱量Q2時，冷板進出口冷卻液的溫差≤5 ℃，芯片表面溫度≤41.8 ℃。這說明，該冷板的設(shè)計形式滿足芯片的散熱需求。

Nu=0.023(Re)0.8Pr0.4

(1)

(2)

(3)

(4)

2 S型通道冷板特性的Fluent數(shù)值分析

(6)

由控制方程式(5)、(6)，設(shè)定不同的芯片發(fā)熱功率及不同的冷板進口冷卻液流速v,分別代入軟件模型進行模擬驗算。圖3為冷板進口冷卻液流速v=0.6 m/s、芯片發(fā)熱功率為300 W時的芯片表面和冷板內(nèi)部流道溫度分布圖。由圖3可以得出，芯片表面中心區(qū)域最高溫度為44.7 ℃，冷板流道進出口冷卻液溫差≤5 ℃。模擬結(jié)果表明該冷板滿足設(shè)計要求。

當芯片發(fā)熱功率分別為150 W、225 W、275 W時，通過改變冷板進口冷卻液流速，得出不同流量和流速下芯片表面溫度及冷板進出口冷卻液壓力變化曲線，如圖4所示。

(a)芯片表面溫度分布圖 (b)冷板內(nèi)部流道溫度分布圖圖3 冷板表面和內(nèi)部溫度分布圖

(a)芯片表面溫度和冷板進口冷卻液流量的變化曲線 (b)冷板進出口壓差和進口冷卻液流速變化曲線圖4 冷板的表面溫度、進出口壓差和冷卻液流速的關(guān)系圖

3 流體網(wǎng)絡(luò)建模分析與優(yōu)化

為了實現(xiàn)電子元器件的散熱需求，將該液冷系統(tǒng)模型導(dǎo)入MacroFlow軟件，進行液冷系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模擬分析。

首先，在原液冷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型(如圖5所示)中，當系統(tǒng)進口冷卻液總流量為2 613 mL/min、支路1中芯片功率為155 W、支路2中芯片功率為230 W、支路3中芯片功率為300 W時，支路1中冷卻液流量為913 mL/min，支路2中冷卻液流量為890 mL/min，支路3中冷卻液流量為804 mL/min時，各支路進出口溫差分別為：ΔT1=2.4 ℃，ΔT2=3.6 ℃，ΔT3=5 ℃。這表明，各條支路進出口溫差差別較大，各支路流量分布不合理，嚴重影響S型冷板的換熱效果，難以滿足各支路的散熱需求。因此，需要對原液冷系統(tǒng)進行優(yōu)化，以實現(xiàn)各支路冷卻液流量的合理分配，保證各支路芯片均衡有效散熱。

在各支路添加阻尼閥門，調(diào)節(jié)管路中的壓力和冷卻液流量，以優(yōu)化液冷系統(tǒng)，實現(xiàn)各支路冷卻液流量的平衡分配。根據(jù)各支路芯片功率大小，計算出各支路冷卻液流量分配比例，通過改變阻尼孔閥門的開啟度，調(diào)節(jié)進入各支路冷板中的冷卻液流量，如圖6所示。在上述相同條件下，各支路阻尼閥門的開啟度分別為h1=2.32 mm,h2=4.19 mm,h3=5.57 mm時，支路1中冷卻液流量為626 mL/min，支路2中冷卻液流量為836 mL/min，支路3中冷卻液流量為1 153 mL/min，各支路進出口溫差分別為：ΔT1=3.6 ℃，ΔT2=3.9 ℃，ΔT3=3.5 ℃。這表明,設(shè)置阻尼閥門后，各支路中冷卻液流量得到合理分配，進出口溫差較小，能夠較好地實現(xiàn)均衡散熱。

在圖5、圖6基礎(chǔ)上，使用Fluent軟件對液冷系統(tǒng)優(yōu)化前后芯片表面溫度進行驗證分析，分析結(jié)果如表2所示。

圖5 優(yōu)化前液冷系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果

圖6 優(yōu)化后液冷系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果

表2 液冷系統(tǒng)優(yōu)化前后不同流量下各支路芯片表面平均溫度

從表2可以看出，液冷系統(tǒng)各支路加阻前，由于各支路冷卻液流量不能合理分配，各支路間芯片表面溫度差別較大。芯片1表面平均溫度≤45 ℃，能夠滿足設(shè)計要求；芯片2、芯片3表面平均溫度均≥45 ℃，不能滿足設(shè)計要求。液冷系統(tǒng)加阻優(yōu)化后，各支路冷卻液流量得到合理分配，3個芯片表面溫度均≤45 ℃，且各條支路間芯片表面溫度差別很小，最大值為0.65 ℃。這表明,優(yōu)化后3個芯片能夠均衡有效散熱，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

為了使芯片數(shù)量多、位置分散、功率各不相同且對空間尺寸要求嚴格的電子設(shè)備實現(xiàn)均衡有效散熱，本文設(shè)計了一種S型通道冷板系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含3條并聯(lián)支路。首先，用Fluent軟件對S型通道冷板進行流體阻力和換熱特性數(shù)值模擬；再將液冷系統(tǒng)模型導(dǎo)入MacroFlow軟件，對系統(tǒng)進行流體網(wǎng)絡(luò)模擬和加阻優(yōu)化分析；最后，結(jié)合Fluent軟件對液冷系統(tǒng)優(yōu)化前后芯片表面溫度冷卻情況進行模擬對比。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的液冷系統(tǒng)各支路具有良好的散熱效果，完全符合設(shè)計要求。

[1] 尹本浩, 蔣威威, 何冰，等.液冷電子設(shè)備的冷板流阻匹配研究[J]. 電子機械工程, 2013，29(2)：1-4.

[2] Johnson S T.Analysis of Manifold Fluid Flow Networks for Air and Liquid-flow through Modular Electronics[C]//Seventeenth IEEE SEMI-THERM Symposium, California,USA,2001.

[3] 關(guān)宏山.某相控陣雷達液冷流量分配系統(tǒng)研究[J]. 電子機械工程, 2011(4):19-38.

[4] 張根烜,張先鋒，洪大良,等.微小通道液冷冷板散熱性能分析[J]. 雷達科學(xué)與技術(shù), 2015(2)：210-213.

[5] 朱斌，沈軍，魏濤.某高熱流密度冷板的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 電子機械工程, 2014(4)：15-18.

(責(zé)任編輯：張同學(xué))

Research on Cold Plate Design and Optimization of Network Modeling in the Liquid Cooling System

LIU Ning1, ZHU Cai-xia2, LU Xiang-yang2, LIU Qing1

(1.Zhengzhou Railway Vocation & Technical College, Zhengzhou 451460;2.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

A “s” type channel cold plate and multi branch parallel cooling system is designed to achieve the size of space requirements strict electronic equipment which has chip number, position disperse and different power centralized, uniform transverse and effective heat radiation.Through the Fluent software of “s” type channel cold plate to change heat and flow characteristics of numerical analysis are carried out and MacroFlow software on the cooling system of fluid network modeling and resistance analysis and optimization are also carried out. Finally, the results show that optimized cooling system can realize the electronic components distributed on chip effective heat dissipation.

liquid cooling system; distributed; in parallel; the distribution of the flow

2016—04—18

國家自然科學(xué)基金項目(61575022)；河南省高等學(xué)校重點科研項目(15A140044)

劉寧(1987-),女，河南項城人，碩士，主要研究方向為制冷與低溫工程。

1671-6906(2016)06-0068-05

TP302.1

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.014