基于CFX的微通道液冷冷板設計與優(yōu)化

朱玉璞

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

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基于CFX的微通道液冷冷板設計與優(yōu)化

朱玉璞

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

散熱不良導致的熱失效是電子設備失效的主要形式，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構參數(shù)微通道冷板的熱效性能，尋求最優(yōu)設計方案。

微通道；熱仿真；液冷冷板

0 引 言

隨著電子器件集成化趨勢的發(fā)展，電子設備功率增大、封裝密度增大、體積縮小，導致電子設備的熱流密度急劇上升[1]。如果這些熱量不能及時散發(fā)出去，將直接影響電子設備的正常工作，甚至引起電子設備的損毀。因此，解決大功率、高熱密度下機載電子設備的散熱是特種飛機環(huán)境控制中的一個十分關鍵的問題[2]，也是特種飛機完成使命的一個重要保證。微通道冷板具有結構緊湊、換熱效率高、質量輕、運行安全可靠等特點[3]，它在微電子、航空航天、高溫超導體的冷卻及其它一些對換熱設備的尺寸和重量有特殊要求的場合中廣泛使用，特別是在微型化的換熱裝置作為相應系統(tǒng)的配套設備情況下發(fā)揮了舉足輕重的作用。

本文利用流體熱分析軟件CFX[4]對不同結構參數(shù)的微通道冷板進行熱仿真分析，并通過實驗系統(tǒng)測試來驗證仿真結論和修正仿真分析方法。再依據微通道液冷冷板的仿真分析結果，對不同冷板的換熱效果和系統(tǒng)泵功耗進行對比，尋求微通道冷板傳熱性能的規(guī)律以及微通道結構參數(shù)對換熱性能的影響，為微通道冷板設計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，通過建立合理的模型和邊界條件，劃分足夠精確的網格，就可以較為準確地分析出冷板的三維流場和溫度場分布，從而直觀地判斷冷板的散熱性能，通過對比達到微通道液冷冷板設計參數(shù)優(yōu)化的目的。

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

(1)

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

進出口壓損ΔP可以衡量泵功耗。壓損越大，消耗的泵功越大，對泵的要求也越高，并與經濟成本相關。ΔP的定義公式為：

ΔP=Pin-Pout

(2)

式中：Pin為進水口平均壓力；Pout為出水口平均壓力。

2 數(shù)值模擬與實驗結果對比驗證

本文是采用仿真與實驗相結合的方法來進行研究的，所以先要對這一方法進行準確性驗證，在此選取LB-D5冷板進行仿真結果與實驗結果對比驗證。

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

LB-D5冷板試驗測試與仿真結果對比如圖2所示。從圖2中可以看到，兩者的計算結果比較相近，出入口溫差誤差為2%～5%，出入口壓差誤差為7%～15%，均低于20%，表明仿真計算結果與實驗測試結果基本一致，同時驗證了仿真算法的可靠性。

3 微通道基本設計參數(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。

分別對這2種冷板的換熱能力進行仿真計算，其中熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～55 L/h，仿真結果對比如圖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，這是因為當冷板內增加微通道結構時，會使通道內的流固換熱面積增加，流體流動過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，所以冷板內增加微通道結構能顯著提高冷板綜合換熱性能。

3.2 微通道內通道高對換熱性能的影響

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，以探究微肋高對微通道換熱性能的影響。

對LB-D3.5、LB-D2 2種冷板的換熱能力進行仿真計算，其中熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～55 L/h，結果對比如圖6所示。

從圖6可以看出，當通道高度D增大時，冷板對流換熱系數(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流速會減小，進出口壓差隨之降低。因此，在總體結構尺寸和重量允許的情況下，通道高度D應盡量大一些，這樣既提高了冷板換熱性能，又減小了泵功耗。

3.3 微通道內肋寬對換熱性能的影響

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，以探究微肋寬對微通道換熱性能的影響。

對LB-D5、LB-E0.5 2種冷板的換熱能力進行仿真計算，其中熱流密度為30 W/cm2，冷板入口流量為10～55 L/h，結果對比如圖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。因為在冷板寬度一定時，減小通道內肋寬，就相應地增加了流道數(shù)目，可以提高冷板換熱性能。

實際上，其它參數(shù)不變，增大流道數(shù)目時，流道高寬比也隨之增大，通道當量直徑Dh隨之變小，且對流換熱面積增大，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，由于通道尺寸減小，通道流量增加，因而進出口壓差(壓力損失)ΔP也增大，是以增加泵功耗和加工難度為代價提升換熱性能的。

3.4 微通道內流道形式對換熱性能的影響

實際應用中芯片設計要求冷卻液進出口可能在對側或同側，設計了LB-RW3、LB-RZ3、LB-UW1和LB-YW1 4種微通道流道結構，以探究微通道結構形式對換熱性能的影響，通過測試比對換熱效率相同時各冷板所需系統(tǒng)流量和壓損的差異，為冷板設計是否能夠滿足系統(tǒng)流量和壓損要求提供參考依據。其中LB-RW3、LB-UW1和LB-YW1 3種冷板是冷卻液進出口在同側，LB-RW3與LB-UW1冷板相比入口段較短，如圖9所示。

對LB-RW3、LB-RZ3、LB-UW1和LB-YW1 4種冷板的換熱能力進行仿真計算，其中熱流密度為30W/cm2，冷板入口流量為10～55L/h，結果對比如圖10所示。從圖10可以看出，冷板內微通道的結構分布對換熱性能有一定影響，因為隨著微通道結構的改變，流體在冷板內的流動路徑也會發(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LB-YW1、LB-UW1、LB-RW3、LB-D5和LB-RZ3，冷板出入口壓差從高到低依次為LB-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是因為LB-RZ3入口段長度較短，流體未能充分發(fā)展就進入了微通道結構，降低了換熱效率，故在實際應用中要設計合適的入口段長度。

綜合換熱性能和壓降,考慮這幾種冷板換熱性能,最佳的應為LB-YW1結構型冷板。

4 微通道液冷冷板仿真設計總結

從以上仿真計算可以得出以下結論：

(1) 在設計矩形微通道冷板時，在不超過最大功耗且泵流量足夠的前提下，應根據加工水平增大流道數(shù)、微通道高度D和流量。簡單來講，就是通道要“密”、“窄”、“高”，同時流速要“快”。

(2) 在結構設計允許情況下可以嘗試設計流道相對復雜的微通道結構來提高換熱性能，如Y型結構冷板。

(3) 設計流道時應設計合適的入口段長度。

(4) 液冷冷板和芯片的溫度對于流量十分敏感，對流量變化響應很快，但流量達到一定值后，芯片溫度趨于穩(wěn)定，再增大流量對芯片溫度降低效果很小，且會造成泵功耗增大，影響冷板經濟性。

5 結束語

本文對多種結構形式的微通道液冷冷板進行了熱仿真分析，并通過實驗系統(tǒng)測試來修正仿真分析方法和驗證仿真結論，研究了微通道冷板結構參數(shù)對流阻性能和換熱性能的影響，為微通道冷板設計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驗研究[J].制造技術與機床,2015(10):115- 118.

[2] 朱春玲,寧獻文.用于機載大功率電子設備的新型液冷環(huán)控系統(tǒng)的研究[J].南京航空航天大學學報,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展[J].潔凈與空調技術,2013(4):54-56.

[4] 李麗丹,李聲.基于CFX和Workbench的數(shù)值仿真技術[J].中國測試,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