劉啟航，陳正江，黃 巍

(中國電子科技集團公司第三十研究所， 四川 成都 610041)

引 言

隨著電子工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備不斷向小型化、多功能化方向發(fā)展，與此同時，電子設(shè)備內(nèi)部的元器件的功率卻不斷增大，這使得散熱問題顯得尤為突出。傳統(tǒng)的熱設(shè)計往往是憑借設(shè)計師的經(jīng)驗制出樣機，通過試驗進行驗證和優(yōu)化，這種設(shè)計方法周期長，對設(shè)計者依賴較高，已不能滿足電子設(shè)備發(fā)展的要求[1-4]?，F(xiàn)通過熱力學仿真軟件6SigmaET對某電子設(shè)備進行仿真分析，能夠較為準確地反映電子設(shè)備的散熱情況，在產(chǎn)品初始設(shè)計階段就開展優(yōu)化，規(guī)避可能存在的風險，有效縮短了設(shè)計周期。

1 液冷原理

目前電子設(shè)備常用的散熱方式有自然散熱、強迫風冷、直接液冷以及蒸發(fā)冷卻。散熱方式可以根據(jù)圖1所示來確定。

圖1 按熱流密度和溫升選擇散熱方式

當設(shè)備的表面熱流密度不高時，可采用自然散熱或強迫風冷，但對于高功耗設(shè)備，普通的散熱方式已不能滿足設(shè)備的散熱需求，設(shè)備可能會由于溫度過高而失效，此時可采用液冷方式對設(shè)備進行散熱，以保證設(shè)備正常工作。

液冷設(shè)備通常包含冷板、冷卻液、液壓泵、液體連接器、管道和水箱等。其散熱的基本原理是：冷卻液在液壓泵的帶動下在設(shè)備的冷板流道中強制循環(huán)，通過冷卻液與設(shè)備的熱交換帶走熱源散發(fā)的熱量。由于液體的吸熱量遠遠大于空氣，因此液冷是解決高功耗設(shè)備散熱的有效途徑。

2 熱量傳遞的基本形式

液冷設(shè)備的熱量傳遞主要有3種形式：熱傳導、對流散熱以及熱輻射。

熱傳導的基本定律為傅里葉定律：

式中：Φ為熱流量，W；k為導熱系數(shù)，W/(m·K)；A為導熱方向的截面面積，m2；?t/?n為溫度梯度。

對流熱量交換可根據(jù)牛頓冷卻公式來定義：

Φ=hA(tw-tf)

式中：Φ為熱流量，W；h為換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；tw為固體壁面的溫度，℃；tf為流體溫度，℃。

輻射熱流量的計算經(jīng)常采用玻爾茲曼定律的經(jīng)驗修正公式：

Φ=εσA(T41-T42)

式中：ε為輻射率，取值范圍0～1；σ為玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；A為發(fā)熱體表面積，m2；T1為發(fā)熱體表面的溫度，℃；T2為分布在周圍的各物體的表面溫度，℃。

3 方案設(shè)計

某電子設(shè)備如圖2所示，外形尺寸為長×寬×高=320 mm × 300 mm ×180 mm(不包含把手和連接器)。

圖2 某電子設(shè)備模型結(jié)構(gòu)

由于整機熱功耗過高，設(shè)備的表面散熱功率密度達到0.177 W/cm2，因此采用液體冷卻散熱設(shè)計。機箱框架由上蓋板、底座、左側(cè)板、右側(cè)板焊接形成，其中上蓋板、底座和右側(cè)板為冷板，內(nèi)均布有流道。為了方便供液系統(tǒng)工作，將冷卻液的進出口均置于右側(cè)板上。冷卻液通過流體連接器(TSA-5型)進入機箱右側(cè)板流道，分別流經(jīng)上蓋板和底座，回流至右側(cè)板后通過流體連接器流出機箱。設(shè)備采用模塊化設(shè)計，內(nèi)置10個功能模塊，模塊通過緊固鎖緊條與機箱的上蓋板和底座緊密貼合。每個模塊均由上下結(jié)構(gòu)件、鎖緊條、PCB、導熱墊等零部件組成。其中1#為電源模塊，2#～10#為系統(tǒng)單元，各個模塊相互獨立，通過背板實現(xiàn)電氣互聯(lián)。設(shè)備的設(shè)計指標分解為：

1)總機熱功耗為735 W；

2)冷卻液為蒸餾水，溫度為60 ℃，供液流量為2.5～3.5 L/min；

3)設(shè)備工作的環(huán)境溫度為-20 ℃～80 ℃，系統(tǒng)單元內(nèi)關(guān)鍵器件的溫度上限為83 ℃，電源模塊的溫度上限為90 ℃；

4)為保證設(shè)備正常工作，要求設(shè)備的壓降小于40 kPa；

4 熱分析過程

利用專業(yè)熱仿真軟件6SigmaET進行熱分析，其主要流程是建立模型、設(shè)定邊界條件、劃分網(wǎng)格、仿真計算、后處理等。

4.1 建立仿真模型

6SigmaET專門為電子行業(yè)使用者定制了組件模型，包括機箱、PCB、電阻、電容、電感、芯片、風機、通風口等。此外，軟件通過模型樹逐級建模和顯示，將設(shè)計人員的建模思路清晰地展示出來。同時CAD接口支持Solidworks、Pro/E、UG等三維軟件模型的導入，可將模型拆分，與自建模型結(jié)合。在模型導入前，為了便于劃分網(wǎng)格，提高計算效率，對原模型進行適量的簡化：

1)刪除緊固件、線纜、開關(guān)、把手、插座等對結(jié)果影響不大的零部件。

2)對箱體上的幾個主要零件：上蓋板、底座、前面板、后面板、左側(cè)板、右側(cè)板等進行特征簡化，刪除安裝孔、倒角等特征。

3)對箱體內(nèi)部的功能模塊進行簡化，去掉多余特征。

將簡化后的模型轉(zhuǎn)化為STL格式導入6SigmaET軟件中。模型導入后，將模型拆分為零部件，并轉(zhuǎn)換成6SigmaET能夠識別的組件，例如將印制板模型轉(zhuǎn)換成“PCB”，將發(fā)熱芯片模型轉(zhuǎn)換成“Component”。

在模型進水口和出水口的位置分別建立泵供水口和泵回水口組件模型，孔徑大小與模型進/出水口一致。再新建一個“pump”(泵)組件模型，并將其屬性中的進水口、出水口與之前建立的泵供水口、泵回水口一一對應(yīng)。模型完成后，點擊“Verify Modeling”命令，檢查模型是否存在錯誤。

4.2 加載邊界條件

確認模型無誤后，定義機箱的計算域。一般情況下，自然散熱的計算域有明確的要求，而液冷散熱則由設(shè)計師根據(jù)需要設(shè)置，通常大于機箱外輪廓即可。先將“Chassis”的6個面卸載，設(shè)定環(huán)境溫度為80 ℃作為溫度邊界。然后設(shè)置各結(jié)構(gòu)件的材料屬性以及功能模塊內(nèi)芯片的熱功耗。冷卻液屬性設(shè)置包括：在建立的“pump”的屬性欄中設(shè)定冷卻液種類為蒸餾水，流量為2.5 L/min，流體初始溫度為60 ℃。迭代步數(shù)、松弛因子、重力等保持默認設(shè)置。

4.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是熱仿真的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接反映了仿真模型的質(zhì)量，更關(guān)系到計算結(jié)果的精確度。劃分網(wǎng)格既要考慮模型的復雜程度，保證其計算的精確性，同時又要適當控制網(wǎng)格規(guī)模，以減少計算時間。

設(shè)置目標網(wǎng)格數(shù)為15 000 000，最小網(wǎng)格尺寸0.2 mm，開啟高級網(wǎng)格控制，對發(fā)熱芯片等重點零部件進行網(wǎng)格增密。網(wǎng)格劃分完成后需對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，為保證計算精度，網(wǎng)格最大長寬比應(yīng)控制在100以內(nèi)。圖3為劃分后的網(wǎng)格示意圖，實際網(wǎng)格數(shù)為16 248 704，網(wǎng)格最大長寬比為93.7。檢查網(wǎng)格質(zhì)量以后，啟動CFD求解器進行計算。

圖3 網(wǎng)格示意圖

4.4 后處理

6SigmaET采用進階的內(nèi)存處理系統(tǒng)執(zhí)行Multi-grid計算。經(jīng)過計算，冷卻液初始溫度為60 ℃，回水口處的溫度為63.4 ℃，溫升為3.4 ℃。流道內(nèi)冷卻液的流速較低(如圖4所示)，平均流速約為0.2 m/s，部分區(qū)域不到0.1 m/s。冷卻液的壓降云圖如圖5所示，流道最大壓差為0.97 kPa，設(shè)備總壓降應(yīng)在此基礎(chǔ)上加2個TSA-5流體連接器的壓降，而TSA-5流體連接器在流量為2.5 L/min時，壓降約為5 kPa，因此設(shè)備總壓降為0.97+5×2=10.97 kPa，滿足壓降小于40 kPa的要求。同時，最高溫度出現(xiàn)在5#模塊上，其內(nèi)部PCB的溫度云圖如圖6所示，最高溫度為80.5 ℃，雖然低于芯片的溫度上限83 ℃，但是冗余量較小，存在一定風險。

圖4 冷卻液速度云圖

圖5 冷卻液壓降云圖

圖6 5#模塊內(nèi)PCB溫度云圖

5 熱設(shè)計優(yōu)化

一般情況下，流體在流道內(nèi)的運動狀態(tài)分為層流和紊流，紊流的換熱強度是層流的數(shù)倍，而雷諾數(shù)Re是一種可以表征流體運動情況的無量綱數(shù)。當Re≤2 000時，流體運動為層流狀態(tài)；當2 000

雷諾數(shù)的計算公式為：

式中：V為液體在流道內(nèi)的平均流速，m/s；D為流道的當量直徑，m；ν為流體的運動粘度，m2/s。計算得到優(yōu)化前Re=2 000，流體運動為過渡狀態(tài)。為了增大雷諾數(shù)，最直接有效的辦法就是增大平均流速V。

5.1 優(yōu)化措施

綜上所述，為了改善設(shè)備的散熱性能，采取如下優(yōu)化措施：

1)將流道中的圓角改為直角；

2)在流道中增加一些不規(guī)則的凸起和斜面破壞流體運動狀態(tài)，增加冷卻液的擾動[5]；

3)減小局部流道的橫截面積，形成喇叭口；

4)將冷卻液流量從2.5 L/min增大到3.5 L/min，由于流道截面基本保持不變，這樣間接增大了液體流速，從而達到紊流狀態(tài)。

流道優(yōu)化前后對比如圖7所示。

圖7 流道優(yōu)化前后對比視圖

5.2 優(yōu)化結(jié)果

對優(yōu)化模型進行仿真計算，得到流道內(nèi)冷卻液溫升為2.7 ℃，平均流速約為0.42 m/s(如圖8所示)，此時的雷諾數(shù)Re=4 200，流體運動為紊流狀態(tài)。冷卻液的壓降云圖如圖9所示，流道最大壓差為3.9 kPa，TSA-5流體連接器在流量為3.5 L/min時，壓降約為6 kPa，總壓降為3.9+6×2=15.9 kPa，滿足壓降小于40 kPa的要求。全局最高溫度仍出現(xiàn)在5#模塊的PCB上，如圖10所示，最高溫度為76.3 ℃，較優(yōu)化前下降了約4 ℃，優(yōu)化效果明顯。

圖8 冷卻液速度云圖

圖9 冷卻液壓降云圖

圖10 5#模塊內(nèi)PCB溫度云圖

6 結(jié)束語

從仿真結(jié)果可以看出，液冷設(shè)備具有強大的散熱能力，利用液冷實現(xiàn)高功耗機箱的散熱已逐漸成為趨勢。同時，應(yīng)用6SigmaET軟件對電子設(shè)備進行熱仿真分析可以直觀了解電子設(shè)備的散熱性能及溫度場分布，在設(shè)計初期就可對設(shè)備進行優(yōu)化改進，減小后期設(shè)備出現(xiàn)散熱問題的可能性，從而有效縮短研發(fā)周期，提高設(shè)計效率。

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