朱玉璞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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基于CFX的微通道液冷冷板設(shè)計(jì)與優(yōu)化

朱玉璞

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

散熱不良導(dǎo)致的熱失效是電子設(shè)備失效的主要形式，而微通道液冷冷板具有較高的換熱效率。使用專業(yè)流體熱仿真軟件CFX分析相同邊界條件下不同結(jié)構(gòu)參數(shù)微通道冷板的熱效性能，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

微通道；熱仿真；液冷冷板

0 引 言

隨著電子器件集成化趨勢(shì)的發(fā)展，電子設(shè)備功率增大、封裝密度增大、體積縮小，導(dǎo)致電子設(shè)備的熱流密度急劇上升[1]。如果這些熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，將直接影響電子設(shè)備的正常工作，甚至引起電子設(shè)備的損毀。因此，解決大功率、高熱密度下機(jī)載電子設(shè)備的散熱是特種飛機(jī)環(huán)境控制中的一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題[2]，也是特種飛機(jī)完成使命的一個(gè)重要保證。微通道冷板具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、質(zhì)量輕、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)[3]，它在微電子、航空航天、高溫超導(dǎo)體的冷卻及其它一些對(duì)換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場(chǎng)合中廣泛使用，特別是在微型化的換熱裝置作為相應(yīng)系統(tǒng)的配套設(shè)備情況下發(fā)揮了舉足輕重的作用。

本文利用流體熱分析軟件CFX[4]對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微通道冷板進(jìn)行熱仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)論和修正仿真分析方法。再依據(jù)微通道液冷冷板的仿真分析結(jié)果，對(duì)不同冷板的換熱效果和系統(tǒng)泵功耗進(jìn)行對(duì)比，尋求微通道冷板傳熱性能的規(guī)律以及微通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱性能的影響，為微通道冷板設(shè)計(jì)提供定性和定量參考。

1 基于CFX的微通道液冷冷板仿真分析方法

本文采用CFX軟件，通過(guò)建立合理的模型和邊界條件，劃分足夠精確的網(wǎng)格，就可以較為準(zhǔn)確地分析出冷板的三維流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，從而直觀地判斷冷板的散熱性能，通過(guò)對(duì)比達(dá)到微通道液冷冷板設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化的目的。

在微通道冷板研究領(lǐng)域，通常以換熱系數(shù)和壓損作為衡量冷板性能的主要指標(biāo)，仿真分析可選取換熱系數(shù)h1和進(jìn)出口壓損ΔP2個(gè)目標(biāo)值作為液冷冷板的換熱性能衡量指標(biāo)。h1是以流固交界面積計(jì)算所得的換熱系數(shù)，它的工程意義是整體上衡量冷板對(duì)芯片的散熱能力指標(biāo)。h1的定義公式為：

(1)

式中：Ai為對(duì)流換熱的流固交界面積；Tw為流固交界面固體平均溫度；Tf為進(jìn)出口冷卻液平均溫度；Q為總換熱量。

進(jìn)出口壓損ΔP可以衡量泵功耗。壓損越大，消耗的泵功越大，對(duì)泵的要求也越高，并與經(jīng)濟(jì)成本相關(guān)。ΔP的定義公式為：

ΔP=Pin-Pout

(2)

式中：Pin為進(jìn)水口平均壓力；Pout為出水口平均壓力。

2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

本文是采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行研究的，所以先要對(duì)這一方法進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，在此選取LB-D5冷板進(jìn)行仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。

分別對(duì)LB-D5冷板進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試，熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～50 L/h，試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)原理如圖1所示。

LB-D5冷板試驗(yàn)測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比如圖2所示。從圖2中可以看到，兩者的計(jì)算結(jié)果比較相近，出入口溫差誤差為2%～5%，出入口壓差誤差為7%～15%，均低于20%，表明仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，同時(shí)驗(yàn)證了仿真算法的可靠性。

3 微通道基本設(shè)計(jì)參數(shù)仿真分析

3.1 微通道與常規(guī)通道換熱性能的影響

在常規(guī)通道冷板LB-C5中加入微肋形成微通道冷板LB-D5，如圖3所示，微通道槽道寬度為0.5 mm，肋片寬度E=1 mm，肋片高度D=5 mm，對(duì)比仿真分析,目的在于比較微通道冷板和常規(guī)通道冷板的特性。

分別對(duì)這2種冷板的換熱能力進(jìn)行仿真計(jì)算，其中熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～55 L/h，仿真結(jié)果對(duì)比如圖4所示。從圖4可以看出，LB-D5與LB-C5相比換熱系數(shù)和出入口溫差都有明顯增加，這是因?yàn)楫?dāng)冷板內(nèi)增加微通道結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使通道內(nèi)的流固換熱面積增加，流體流動(dòng)過(guò)程就能帶走更多的熱量，換熱性能大幅提高；LB-D5與LB-C5相比壓差增加很小，所以冷板內(nèi)增加微通道結(jié)構(gòu)能顯著提高冷板綜合換熱性能。

3.2 微通道內(nèi)通道高對(duì)換熱性能的影響

改變微通道冷板LB-D5中微肋的高度D，LB-D3.5是微通道高3.5 mm的冷板，LB-D2是微通道高2 mm的冷板，如圖5所示，保持微通道槽道寬度為0.5 mm和肋片寬度E=1 mm不變，以探究微肋高對(duì)微通道換熱性能的影響。

對(duì)LB-D3.5、LB-D2 2種冷板的換熱能力進(jìn)行仿真計(jì)算，其中熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～55 L/h，結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)通道高度D增大時(shí)，冷板對(duì)流換熱系數(shù)h1增大，換熱性能提高，壓差也有一些下降。這是由于通道變高會(huì)增加流固換熱面積，所以增加了換熱性，而且在體積流量保持不變的情況下通道內(nèi)流速會(huì)減小，進(jìn)出口壓差隨之降低。因此，在總體結(jié)構(gòu)尺寸和重量允許的情況下，通道高度D應(yīng)盡量大一些，這樣既提高了冷板換熱性能，又減小了泵功耗。

3.3 微通道內(nèi)肋寬對(duì)換熱性能的影響

改變微通道冷板LB-D5中微肋的寬度E，LB-E0.5是微通道寬0.5 mm的冷板，如圖7所示，保持微通道槽道寬度為0.5 mm和肋片高度D=0.5 mm不變，以探究微肋寬對(duì)微通道換熱性能的影響。

對(duì)LB-D5、LB-E0.5 2種冷板的換熱能力進(jìn)行仿真計(jì)算，其中熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～55 L/h，結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

從圖8可以看出，LB-E0.5與LB-D5相比,換熱系數(shù)和壓差都有所增加。因?yàn)樵诶浒鍖挾纫欢〞r(shí)，減小通道內(nèi)肋寬，就相應(yīng)地增加了流道數(shù)目，可以提高冷板換熱性能。

實(shí)際上，其它參數(shù)不變，增大流道數(shù)目時(shí)，流道高寬比也隨之增大，通道當(dāng)量直徑Dh隨之變小，且對(duì)流換熱面積增大，從而使得換熱系數(shù)h1增大。所以，減小通道肋寬是提高冷板換熱性能的有效方法。但與此同時(shí)，由于通道尺寸減小，通道流量增加，因而進(jìn)出口壓差(壓力損失)ΔP也增大，是以增加泵功耗和加工難度為代價(jià)提升換熱性能的。

3.4 微通道內(nèi)流道形式對(duì)換熱性能的影響

實(shí)際應(yīng)用中芯片設(shè)計(jì)要求冷卻液進(jìn)出口可能在對(duì)側(cè)或同側(cè)，設(shè)計(jì)了LB-RW3、LB-RZ3、LB-UW1和LB-YW1 4種微通道流道結(jié)構(gòu)，以探究微通道結(jié)構(gòu)形式對(duì)換熱性能的影響，通過(guò)測(cè)試比對(duì)換熱效率相同時(shí)各冷板所需系統(tǒng)流量和壓損的差異，為冷板設(shè)計(jì)是否能夠滿足系統(tǒng)流量和壓損要求提供參考依據(jù)。其中LB-RW3、LB-UW1和LB-YW1 3種冷板是冷卻液進(jìn)出口在同側(cè)，LB-RW3與LB-UW1冷板相比入口段較短，如圖9所示。

對(duì)LB-RW3、LB-RZ3、LB-UW1和LB-YW1 4種冷板的換熱能力進(jìn)行仿真計(jì)算，其中熱流密度為30W/cm2，冷板入口流量為10～55L/h，結(jié)果對(duì)比如圖10所示。從圖10可以看出，冷板內(nèi)微通道的結(jié)構(gòu)分布對(duì)換熱性能有一定影響，因?yàn)殡S著微通道結(jié)構(gòu)的改變，流體在冷板內(nèi)的流動(dòng)路徑也會(huì)發(fā)生改變，從而能帶走的熱量也各不相同，換熱性能也隨之變化。

從圖10中可以看出,換熱性能從高到低依次為L(zhǎng)B-YW1、LB-UW1、LB-RW3、LB-D5和LB-RZ3，冷板出入口壓差從高到低依次為L(zhǎng)B-YW1、LB-UW1、LB-RW3、LB-RZ3和LB-D5，但壓差差距較小。LB-RZ3冷板的換熱系數(shù)低于LB-D5是因?yàn)長(zhǎng)B-RZ3入口段長(zhǎng)度較短，流體未能充分發(fā)展就進(jìn)入了微通道結(jié)構(gòu)，降低了換熱效率，故在實(shí)際應(yīng)用中要設(shè)計(jì)合適的入口段長(zhǎng)度。

綜合換熱性能和壓降,考慮這幾種冷板換熱性能,最佳的應(yīng)為L(zhǎng)B-YW1結(jié)構(gòu)型冷板。

4 微通道液冷冷板仿真設(shè)計(jì)總結(jié)

從以上仿真計(jì)算可以得出以下結(jié)論：

(1) 在設(shè)計(jì)矩形微通道冷板時(shí)，在不超過(guò)最大功耗且泵流量足夠的前提下，應(yīng)根據(jù)加工水平增大流道數(shù)、微通道高度D和流量。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是通道要“密”、“窄”、“高”，同時(shí)流速要“快”。

(2) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許情況下可以嘗試設(shè)計(jì)流道相對(duì)復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)來(lái)提高換熱性能，如Y型結(jié)構(gòu)冷板。

(3) 設(shè)計(jì)流道時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)合適的入口段長(zhǎng)度。

(4) 液冷冷板和芯片的溫度對(duì)于流量十分敏感，對(duì)流量變化響應(yīng)很快，但流量達(dá)到一定值后，芯片溫度趨于穩(wěn)定，再增大流量對(duì)芯片溫度降低效果很小，且會(huì)造成泵功耗增大，影響冷板經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)多種結(jié)構(gòu)形式的微通道液冷冷板進(jìn)行了熱仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試來(lái)修正仿真分析方法和驗(yàn)證仿真結(jié)論，研究了微通道冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流阻性能和換熱性能的影響，為微通道冷板設(shè)計(jì)提供了定性和定量參考。

[1] 呂景祥,趙高波,成宏軍.微通道液冷冷板矩形槽道銑削工藝實(shí)驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2015(10):115- 118.

[2] 朱春玲,寧獻(xiàn)文.用于機(jī)載大功率電子設(shè)備的新型液冷環(huán)控系統(tǒng)的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2005,37(2):203-207.

[3] 鬲鐘雪,劉順波,舒明均.板翅式換熱器的研究進(jìn)展[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2013(4):54-56.

[4] 李麗丹,李聲.基于CFX和Workbench的數(shù)值仿真技術(shù)[J].中國(guó)測(cè)試,2010,36(5):79-80.

Design and Optimization of Micro-channel Liquid Cooling Cold Board Based on CFX

ZHU Yu-pu

(The 20th Research Institute of CETC, Xi'an 710068,China)

The thermal failure caused by bad heat dissipation is a main mode of electronic equipment failure,while the micro-channel liquid cooling cold board has a high heat exchange efficiency.This paper uses professional fluid thermal simulation software CFX to analyze the thermal efficiency of micro-channel cold board with different structural parameters under the same boundary conditions,seeks for the best design scheme.

micro-channel;thermal simulation;liquid cooling cold board

2017-01-12

TN830.5

B

CN32-1413(2017)02-0109-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.025