液冷機(jī)箱的流道優(yōu)化設(shè)計(jì)與散熱性能研究*

李維天 張育棟 董陽(yáng)陽(yáng)

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 西安 710068）（2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710071）

1 引言

ATR機(jī)箱常應(yīng)用于艦載、機(jī)載、車載等運(yùn)載平臺(tái)上。在機(jī)箱總功耗較小的情況下，間接風(fēng)冷散熱方式可以解決內(nèi)部散熱問(wèn)題，此時(shí)機(jī)箱內(nèi)部單個(gè)模塊功耗一般小于50W，機(jī)箱總功耗一般小于400W。隨著技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)模塊的功耗增至100W，多則達(dá)到150W，若繼續(xù)采用間接風(fēng)冷方式，將無(wú)法滿足散熱需求；此時(shí)可采用間接液體冷卻技術(shù)，即冷卻液不與電子元器件直接接觸，通過(guò)傳導(dǎo)冷卻方式將內(nèi)部熱量帶走［1］。在艦載環(huán)境中，液冷散熱方式已逐漸代替風(fēng)冷散熱方式，大規(guī)模采用該技術(shù)已成為未來(lái)的趨勢(shì)［2～4］。相比于風(fēng)冷式散熱方式，液冷散熱方式具備噪音低、散熱好和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

2 液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊的散熱方式

模塊在液冷機(jī)箱內(nèi)的安裝方式如圖1所示，模塊插入液冷機(jī)箱后，通過(guò)擰緊鎖緊器來(lái)固定，此時(shí)模塊右側(cè)邊沿部分與機(jī)箱插槽導(dǎo)軌緊密貼合。

圖1 模塊在液冷機(jī)箱內(nèi)的安裝示意圖

液冷機(jī)箱內(nèi)部熱量傳導(dǎo)路徑如圖2所示：電子元器件產(chǎn)生的熱量通過(guò)模塊金屬盒體傳導(dǎo)至機(jī)箱側(cè)壁板，最終傳導(dǎo)至冷卻液［5～7］。

圖2 機(jī)箱內(nèi)熱流方向圖

間接液體冷卻的電子元器件散熱設(shè)計(jì)，原則是保證有一條低熱阻熱流通路［1］。機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)主要決定于內(nèi)部模塊的電子元器件的發(fā)熱功率和熱流密度，而這些數(shù)據(jù)往往在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初難以準(zhǔn)確的提供（因?yàn)槟K設(shè)計(jì)和機(jī)箱設(shè)計(jì)是同步進(jìn)行，且通常模塊方案在設(shè)計(jì)過(guò)程中還會(huì)調(diào)整），所以單獨(dú)將負(fù)責(zé)液冷散熱的機(jī)箱框架作為研究對(duì)象，給機(jī)箱插槽導(dǎo)軌上施加模擬熱源，計(jì)算機(jī)箱框架內(nèi)部插槽導(dǎo)軌的溫度變化，可作為模塊的熱設(shè)計(jì)參考。上述方法實(shí)際是先分析熱流圖（圖2）中的后半部分，然后將得出的邊界條件帶入模塊熱設(shè)計(jì)過(guò)程中，可提高設(shè)計(jì)效率。

3 液冷機(jī)箱總體設(shè)計(jì)

3.1 液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)組成

如圖3所示，本文設(shè)計(jì)的液冷機(jī)箱尺寸為540mm×264mm×300mm（寬×高×深），內(nèi)部可裝入18個(gè)模塊，模塊尺寸為233.35mm×160mm×24mm。液冷機(jī)箱由機(jī)箱框架、背板（印制板）、前蓋板、后蓋板和標(biāo)準(zhǔn)插拔模塊組成。流體連接器對(duì)稱布置在機(jī)箱框架背部?jī)蓚?cè)，連接器選用通徑為8mm的卡口式自密封流體連接器，便于安裝和維修。機(jī)箱主體的結(jié)構(gòu)件選用導(dǎo)熱率較高的3A21鋁合金。

圖3 液冷機(jī)箱結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)箱框架由上壁板、下壁板、左側(cè)板和右側(cè)板組成（見(jiàn)圖4），上、下壁板作為冷板，對(duì)模塊進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻。右側(cè)板為分流板，將進(jìn)入機(jī)箱的冷卻液一分為二，分配到上、下壁板；左側(cè)板為集流板，將上、下壁板回流的冷卻液匯集到一起，傳回到外部液冷源再次冷卻，如此循環(huán)往復(fù)將機(jī)箱內(nèi)的熱量帶走。對(duì)以上零件進(jìn)行銑削加工，然后拼裝后真空釬焊；這樣可保證內(nèi)部流道暢通，并且不易出現(xiàn)泄漏問(wèn)題，同時(shí)可提高機(jī)箱的強(qiáng)度和剛度［8～11］。

圖4 液冷機(jī)箱框架內(nèi)的流道示意圖

3.2 液冷機(jī)箱熱設(shè)計(jì)理論計(jì)算

液冷機(jī)箱內(nèi)部的散熱方式主要為熱傳導(dǎo)，外界環(huán)境的對(duì)流和輻射對(duì)液冷機(jī)箱的散熱影響很小，所以初步計(jì)算時(shí)忽略它們的作用。此時(shí)看做模塊內(nèi)元器件產(chǎn)生的熱量全部由冷卻液吸收，根據(jù)能量守恒，可計(jì)算出冷卻液入口所需的流量［1］。由熱平衡方程：

式中：Q為耗散功率，W，此處為1800W（每個(gè)模塊按照100W計(jì)算，共18個(gè)）；Cp為冷卻液定壓比熱容，J/（kg·℃），本文選用65#冷卻液，此處為3153 J/（kg·℃）；Δt為冷卻液的進(jìn)、出口溫度差，此處為5℃；ρ為冷卻液的密度，此處為1076kg/m3。根據(jù)式（1）得，冷卻液流量qm≈6.4L/min；由入口處流道為直徑8mm的圓形通道，求得入口處流速為2m/s，在合理經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。根據(jù)本文項(xiàng)目總體要求，在正常工作時(shí)，冷卻液入口溫度為30℃，最高環(huán)境溫度為55℃。

液冷機(jī)箱內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響著機(jī)箱的散熱性能，本文在后續(xù)的內(nèi)容中將重點(diǎn)研究不同形式流道對(duì)液冷機(jī)箱散熱性能的影響；對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而提升液冷機(jī)箱的散熱性能。

4 液冷機(jī)箱內(nèi)部流道的設(shè)計(jì)與分析

并聯(lián)流道容易造成支路流道流量分配不均的問(wèn)題，串聯(lián)流道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工。本文將重點(diǎn)研究串聯(lián)流道，將串聯(lián)流道分為橫向和縱向布置兩種方式，后面都將進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

4.1 橫向串聯(lián)流道的設(shè)計(jì)與分析

4.1.1 橫向串聯(lián)流道

首先考慮易于加工的常規(guī)蛇形串聯(lián)流道結(jié)構(gòu)，該流道所占機(jī)箱面積小，在上壁面和下壁面均布置7行流道。根據(jù)機(jī)箱自身結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，嘗試將流道截面設(shè)計(jì)為10mm×5mm的矩形形狀，如圖5所示。

圖5 橫向串聯(lián)流道及其截面圖

由當(dāng)量直徑計(jì)算公式［12］：

（其中h為截面寬度，b為截面高度）得當(dāng)量直徑約為6.7mm，計(jì)算得平均流速約為3m/s，流速在合理范圍內(nèi)。在仿真模型中，將每個(gè)插槽導(dǎo)軌與模塊接觸側(cè)設(shè)置50W的均布面熱源，用于模擬模塊熱源，機(jī)箱上下共36個(gè)導(dǎo)軌，熱耗合計(jì)1800W。使用ANSYS Icepak軟件，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 機(jī)箱插槽導(dǎo)軌溫升圖（橫向串聯(lián)流道）

從圖中可以看出，機(jī)箱從左至右，導(dǎo)軌溫度在54.9℃～64.2℃之間變化，兩邊導(dǎo)軌溫度低，中間導(dǎo)軌溫度高，如果將上述值帶入模塊導(dǎo)熱端計(jì)算，則元器件溫升較高，需要對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1.2 橫向串聯(lián)流道（微通道）

液冷機(jī)箱內(nèi)部冷卻液與上、下壁板之間的傳熱方式屬于對(duì)流換熱范疇，由牛頓冷卻方程φ=hc·A·(tw-tf)知，在相等換熱量情況下，若要降低固體壁面溫度tw，則要提高固體壁面換熱面積A［1］。如圖7所示，為了增大冷卻液與機(jī)箱的換熱面積，嘗試采用微通道換熱技術(shù)，流道內(nèi)設(shè)計(jì)翅片結(jié)構(gòu)［13］，流道寬度增加到21mm，翅片厚度為1.5mm，翅片間距為3mm，截面上排布四列翅片。

圖7 橫向串聯(lián)微通道流道及其截面圖

設(shè)置相同邊界條件，對(duì)機(jī)箱進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖8中的曲線Y1所示，由仿真結(jié)果可以看出，流道加寬并增加翅片結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)軌最高溫度在42℃～43.5℃之間變化，均溫性較好。與圖6中的數(shù)值相比，機(jī)箱插槽導(dǎo)軌壁面溫度有了大幅降低，最高溫度為43.5℃，比前一種流道形式降低了20.7℃。計(jì)算得該種流道形式的流阻為0.016Mpa。

圖8 機(jī)箱導(dǎo)軌溫升圖（橫向串聯(lián)微通道流道）

4.1.3 橫向串聯(lián)流道（微通道優(yōu)化）

因模塊在機(jī)箱前部空間安裝，熱源聚集在機(jī)箱前半部分，嘗試將機(jī)箱后部非熱源區(qū)的流道去掉，同時(shí)考慮到機(jī)箱的重量，適當(dāng)減去機(jī)箱后部一部分鋁材，如圖9所示。

圖9 橫向串聯(lián)微通道流道（優(yōu)化）

仿真計(jì)算結(jié)果如圖8的曲線Y2所示，與曲線Y1相比，導(dǎo)軌溫度變化很小，可忽略不計(jì)，說(shuō)明省去后部分流道對(duì)機(jī)箱的散熱性能基本沒(méi)有影響。此時(shí)計(jì)算得流阻為0.012Mpa，流阻比前者有所降低；證明設(shè)計(jì)時(shí)將流道集中布置在熱源附近區(qū)域是比較合理的方式。

4.2 縱向串聯(lián)流道的設(shè)計(jì)與分析

下面嘗試分析縱向流道設(shè)計(jì)能否滿足使用需求。如圖10所示，縱向流道的主區(qū)域布置在機(jī)箱前部熱源區(qū)域，每一個(gè)插槽導(dǎo)軌上方附近均有一條流道通過(guò)。此時(shí)由于流道的焊接工藝限制，縱向流道橫截面寬度不宜過(guò)大，所以依然嘗試將流道截面設(shè)計(jì)為10mm×5mm的矩形形式。分別分析兩種結(jié)構(gòu)形式，第一種流道內(nèi)部無(wú)散熱翅片，第二種流道內(nèi)布置兩列翅片，翅片厚度為2mm，翅片間距為2mm。

圖10 縱向串聯(lián)流道及其截面圖

同時(shí)對(duì)這兩種流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，計(jì)算結(jié)果如圖11所示，其中曲線Y3和Y4分別代表無(wú)翅片和有翅片的結(jié)果。無(wú)翅片的導(dǎo)軌溫升范圍為47.2℃～54.2℃，有翅片的導(dǎo)軌溫升范圍為41.9℃～47.3℃；后者的溫升明顯比前者低一些。兩者的均溫性都不理想，最右側(cè)的第18個(gè)插槽導(dǎo)軌溫度最低；這是因?yàn)榈?8個(gè)插槽導(dǎo)軌（最右端）靠近冷卻液的入口。

圖11 機(jī)箱內(nèi)導(dǎo)軌溫升圖（縱向串聯(lián)流道）

計(jì)算得這兩種流道的流阻見(jiàn)表1，其中有翅片結(jié)構(gòu)的流道流阻明顯較大。這是因?yàn)榭v向串聯(lián)流道本身的折彎較多，局部阻力損失較大；有翅片結(jié)構(gòu)使得流道內(nèi)部通流截面積減小，流速顯著增加，沿程阻力損失增大［12］。若在實(shí)際機(jī)箱設(shè)計(jì)中采用這類結(jié)構(gòu)，可將熱耗偏高的功能模塊排布在機(jī)箱右端附近（進(jìn)液口附近）。

表1 兩種縱向串聯(lián)流道對(duì)應(yīng)的計(jì)算流阻

5 液冷機(jī)箱散熱性能進(jìn)一步探討

在實(shí)際應(yīng)用中，液冷機(jī)箱的應(yīng)用環(huán)境多種多樣；不同項(xiàng)目中的環(huán)境溫度、供液溫度和流量也是不同的，所以需對(duì)液冷機(jī)箱施加不同的邊界條件，來(lái)評(píng)估液冷機(jī)箱的散熱性能。以下針對(duì)4.1.3節(jié)優(yōu)化后的流道形式為研究對(duì)象來(lái)做進(jìn)一步探討。

5.1 環(huán)境溫度對(duì)液冷機(jī)箱散熱性能的影響

保持供液溫度和供液流量不變，考察環(huán)境溫度變化對(duì)液冷機(jī)箱性能的影響：在供液溫度為30℃，供液流量為6.4L/min的前提下，環(huán)境溫度分別設(shè)置為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃、85℃，分別計(jì)算液冷機(jī)箱的溫升，仿真計(jì)算結(jié)果如圖12所示。注意此時(shí)計(jì)算時(shí)需要考慮機(jī)箱外表面與外界環(huán)境的對(duì)流換熱。

由圖12中數(shù)據(jù)看出，外界環(huán)境溫度的升高使得機(jī)箱插槽導(dǎo)軌溫升小幅升高；環(huán)境溫度每上升1℃，則插槽導(dǎo)軌溫度升高約0.1℃。其原因是隨著外界溫度的升高，機(jī)箱外表面與空氣的對(duì)流換熱的熱量增加，導(dǎo)致機(jī)箱插槽導(dǎo)軌溫度升高。

圖12 不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的機(jī)箱內(nèi)插槽導(dǎo)軌溫升圖

5.2 供液溫度對(duì)液冷機(jī)箱散熱性能的影響

在供液流量為6.4L/min，環(huán)境溫度為55℃的前提下，供液溫度分別設(shè)置為20℃、30℃、40℃、50℃，計(jì)算液冷機(jī)箱的溫升，仿真計(jì)算結(jié)果如圖13所示?？梢钥闯觯S著供液溫度的增高，機(jī)箱插槽導(dǎo)軌的溫升明顯增高，增高幅度與供液溫度增高幅度一致（供液溫度每上升10℃，則插槽導(dǎo)軌溫度升高約10℃）。

圖13 不同供液溫度對(duì)應(yīng)的機(jī)箱內(nèi)插槽導(dǎo)軌溫升圖

5.3 供液流量對(duì)液冷機(jī)箱散熱性能的影響

在供液溫度為30℃，環(huán)境溫度為55℃的前提下，供液流量分別設(shè)置為5.4 L/min、6.4L/min…11.4L/min、12.4L/min，分別計(jì)算液冷機(jī)箱的溫升，仿真計(jì)算結(jié)果如圖14所示，機(jī)箱計(jì)算流阻見(jiàn)表2。

表2 不同供液流量對(duì)應(yīng)的計(jì)算流阻

圖14 不同供液流量對(duì)應(yīng)的機(jī)箱內(nèi)插槽導(dǎo)軌溫升圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著流量的增加，機(jī)箱插槽導(dǎo)軌的溫度會(huì)逐漸降低，但是流量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，溫度降低速率變緩，同時(shí)機(jī)箱流阻會(huì)明顯增大；因?yàn)殡S著流量的增大，流速會(huì)增大，所以沿程阻力損失增大。在實(shí)際應(yīng)用中要綜合考慮，選用合適的流量，兼顧經(jīng)濟(jì)性，從而獲得滿意的散熱效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了液冷機(jī)箱的熱設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了流道的設(shè)計(jì)。為保證液冷機(jī)箱具備較高的散熱性能，對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)使用ANSYS Icepak軟件進(jìn)行熱仿真分析，總結(jié)出以下機(jī)箱流道設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

1）在機(jī)箱重量無(wú)特別嚴(yán)格要求的情況下，可適當(dāng)加寬流道，流道內(nèi)設(shè)計(jì)翅片式微通道散熱結(jié)構(gòu)，可有效提高機(jī)箱的液冷換熱效果。

2）液冷機(jī)箱后端非熱源區(qū)若布置流道，對(duì)機(jī)箱內(nèi)壁溫升影響較小，可以省去，可有效降低流阻。

3）與橫向串聯(lián)流道相比，縱向串聯(lián)流道有利于靠近入液口的模塊的散熱，但是機(jī)箱插槽導(dǎo)軌均溫性較差，且流阻較大。綜合考慮均溫性、流阻和散熱性能，優(yōu)化后的橫向串聯(lián)微通道流道（4.1.3節(jié)）可作為一種值得參考的流道形式。

4）在相同供液溫度和供液流量條件下，環(huán)境溫度對(duì)機(jī)箱內(nèi)溫升影響較小。

5）在相同供液流量和環(huán)境溫度條件下，供液溫度會(huì)直接影響機(jī)箱內(nèi)插槽導(dǎo)軌的溫升，供液溫度若提高10℃，則導(dǎo)軌溫升同樣也接近10℃。

6）在相同環(huán)境溫度和供液溫度條件下，供液流量變化對(duì)液冷機(jī)箱的散熱性能有一定影響。供液流量增長(zhǎng)到一定程度時(shí)，對(duì)機(jī)箱散熱性能影響會(huì)越來(lái)越小，機(jī)箱導(dǎo)軌溫升也趨近于恒定值。