毛麗娜，周 洋

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230088）

隨著電子設(shè)備的不斷發(fā)展和熱流密度的增大，電源散熱管理愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱對(duì)于高熱流密度功率器件逐漸受限，相對(duì)而言，液冷散熱技術(shù)日益成熟，且具備更好的散熱效果，冷卻效率更高。

但隨著高密度功率器件的應(yīng)用場景增多，液冷流量需求變大，導(dǎo)致流阻增大。流阻是冷卻液在液冷系統(tǒng)中流動(dòng)所受到的阻力，而流阻的大小取決于流體的性質(zhì)、流動(dòng)狀態(tài)和流道幾何尺寸及形狀等，且直接影響冷卻液的流動(dòng)速度、壓降以及整個(gè)系統(tǒng)的散熱效果。因此通過研究不同形狀的流道對(duì)降低流阻具有重要意義[1]。

1 問題及環(huán)控描述

本文研究的對(duì)象為液冷彈載電源。機(jī)箱為非標(biāo)準(zhǔn)定制機(jī)箱，電源內(nèi)部非均勻排布各類發(fā)熱模塊。本文中各模塊尺寸不一，需在機(jī)殼底板銑出高度不一的凸臺(tái)來提高散熱效果。為強(qiáng)化傳熱，降低熱阻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)布置熱源的中間隔板的機(jī)加平面度（＜0.1mm）及光潔度（＞1.6μm）提出要求[2]，內(nèi)部發(fā)熱器件與凸臺(tái)之間需填充導(dǎo)熱系數(shù)為1W/（m×K）導(dǎo)熱硅脂，并用螺釘鎖緊，導(dǎo)熱硅脂厚度按0.2mm 核算。機(jī)殼及相關(guān)導(dǎo)熱附件選用比重小、比熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)高、強(qiáng)度、耐腐蝕性能好及容易滿足輕量化設(shè)計(jì)的鋁合金材料（2A12）。

彈載電源實(shí)際工作不僅機(jī)殼可作為儲(chǔ)熱熱沉，模塊本身及與模塊引腳相連印制板也承擔(dān)部分熱量的儲(chǔ)存，為簡化模型計(jì)算，在此僅將電源機(jī)殼及發(fā)熱模塊本身作為熱沉進(jìn)行分析計(jì)算[3]。發(fā)熱模塊主要由鋁基板、PCB 板、二極管、磁性器件、灌封膠及引腳六部分組成，其中灌封膠占比較大。建模時(shí)將鋁基板考慮為2mm 鋁板，鋁基板以上簡化為高度不同的灌封膠，各材料參數(shù)如表1 所示。

表1 材料物性參數(shù)

功率器件的降額設(shè)計(jì)是使器件工作中承受的工作應(yīng)力適當(dāng)?shù)陀谄骷念~定值，從而達(dá)到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的[4]。根據(jù)環(huán)控要求，電源需至少滿足內(nèi)部發(fā)熱功率器件Ⅲ級(jí)降額要求。內(nèi)部發(fā)熱的功率器件主要為大功率模塊及控制模塊，選用的模塊內(nèi)部主要發(fā)熱器件為電感元件（主要為各種線圈和變壓器）和半導(dǎo)體二極管。其中所選電感元件允許的熱點(diǎn)溫度要求最高為180℃，半導(dǎo)體二極管類器件最高允許結(jié)溫為150℃，可見模塊內(nèi)部器件的溫度降額需以半導(dǎo)體二極管類器件降額為準(zhǔn)。GJB/Z35-93 元器件降額準(zhǔn)則中規(guī)定，二極管內(nèi)熱阻未知時(shí)，器件殼溫可按照低于半導(dǎo)體二極管類器件最高允許結(jié)溫20℃進(jìn)行計(jì)算。另外，根據(jù)所選用的模塊溫度測試數(shù)據(jù)得知，二極管殼溫與模塊殼溫之間的溫差最大約為10℃左右。按照GJB/Z35-93 元器件降額準(zhǔn)則，二極管滿足Ⅲ級(jí)降額時(shí)可知模塊允許殼溫為100℃，電源實(shí)際工況為瞬態(tài)工作模式，具體熱耗分布及工作狀況見表2。

表2 元器件熱耗工作狀況

需要說明的是：液冷工況為在環(huán)境溫度75℃下，利用液冷散熱，且單次工作時(shí)間90s，間隔10min，連續(xù)工作次數(shù)不小于3 次。

根據(jù)環(huán)控要求，需要同時(shí)滿足以下條件：

常溫下，65#冷卻液流量為4L/min，能保證連續(xù)工作；液冷入口至出口總流阻≤1MPa(流量為4L/min 時(shí)，65#冷卻液)；工作溫度：-50℃～75℃。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

本文采用的是某CAE 有限元仿真軟件（以下簡稱軟件）進(jìn)行熱分析。其是快速對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱仿真的主流軟件，能夠快速建立仿真模型，具有優(yōu)化電源散熱設(shè)計(jì)、避免過熱問題、提高系統(tǒng)性能、節(jié)約成本時(shí)間及輔助設(shè)計(jì)決策的特點(diǎn)。根據(jù)軟件建模以及電源自身的特點(diǎn)，建模過程中對(duì)一些對(duì)散熱影響不大的細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡化，主要包括：

1.忽略了模塊與周圍空氣的對(duì)流散熱因素。

2.忽略了所有的螺紋孔。

3.不考慮結(jié)構(gòu)件表面的粗糙度。

仿真計(jì)算采用最不利于散熱極限工況所對(duì)應(yīng)的參數(shù)代入，采用軟件自帶的網(wǎng)格劃分工具，進(jìn)行模型的自動(dòng)網(wǎng)格劃分。仿真計(jì)算模型的建立是強(qiáng)迫液冷機(jī)箱的重點(diǎn)，通常有以下兩種方式創(chuàng)建：

1.將真實(shí)的結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入幾何模型創(chuàng)建單元，通過上述的簡化方式簡化，轉(zhuǎn)化為軟件可識(shí)別的仿真模型，再將簡化后的仿真模型導(dǎo)入軟件中，最后設(shè)置好邊界條件后完成散熱分析。

2.直接在軟件中通過選用模型庫中的模型自行建立仿真模型，設(shè)置好邊界條件后完成散熱分析。

上述的兩種建模方式仿真結(jié)果差異很小，但第二種建模方式建立的液冷流道比較復(fù)雜。相對(duì)而言，第一種方式可以直接在建立的三維模型修改流道形狀，因此本文采取的建模方式是第一種。

通過第一種建模方式分別建立兩種形狀流道的仿真模型，設(shè)置冷卻液參數(shù)、進(jìn)口流速及發(fā)熱模塊的熱耗。后續(xù)的建模完成適當(dāng)?shù)募?xì)節(jié)處理，可以得到仿真模型，流道仿真模型如圖1 所示。

圖1 兩種流道仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分及結(jié)果分析

對(duì)創(chuàng)建的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分是軟件仿真的第二步，網(wǎng)格的質(zhì)量好壞直接決定了求解計(jì)算的精度及是否可以收斂。由于實(shí)際幾何模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用常規(guī)理論的解析方法得不到真實(shí)問題的解析解（A 變量沿B 變量變化的真實(shí)曲線），因此需要對(duì)熱仿真幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。一方面，軟件將建立的三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到與模型本身幾何相貼體的網(wǎng)格；另一方面，軟件會(huì)將計(jì)算區(qū)域內(nèi)的流體空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以便計(jì)算釘子產(chǎn)品內(nèi)部流體的流動(dòng)特性和溫度分布[5]。

軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要注意幾何模型、網(wǎng)格密度、網(wǎng)格類型、網(wǎng)格尺寸控制、網(wǎng)格質(zhì)量等方面。同時(shí)可運(yùn)用軟件提供的三種網(wǎng)格劃分類型：Msher-HD 網(wǎng)格、Hexa Cartesian 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及Hexa Unstructured非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于仿真模型是由外部導(dǎo)入，因此只能選擇Msher-HD 網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分過程中，根據(jù)研究需求和模型復(fù)雜程度，決定網(wǎng)格的精細(xì)程度。通常情況下，需要在關(guān)鍵區(qū)域或具有復(fù)雜流動(dòng)和熱傳輸?shù)牡胤绞褂酶芗木W(wǎng)格，以獲取準(zhǔn)確的結(jié)果?？梢酝ㄟ^設(shè)置網(wǎng)格尺寸參數(shù)來控制網(wǎng)格的大小和分布。可以使用縮放函數(shù)或網(wǎng)格控制選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。網(wǎng)格需檢查網(wǎng)格是否滿足精度要求，確保生成的網(wǎng)格質(zhì)量良好，不出現(xiàn)錯(cuò)位、扭曲或過分拉伸的情況。通過上述步驟，可以在軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并生成適合進(jìn)行熱傳輸分析的網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以獲得準(zhǔn)確的熱模擬結(jié)果。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可以得到流阻分布圖，如圖2 所示。

圖2 兩種流道流阻分布

從圖2 可知，這兩種流道均能滿足環(huán)控流阻要求，第一種流道最大流阻相對(duì)較小，能和流阻要求保有較大余量。因此選擇第一種為優(yōu)選流道。由仿真結(jié)果可知，在流體性質(zhì)、管道長度和直徑、流速等影響因素不變的前提下，流道幾何形狀會(huì)影響流阻大小。這是因?yàn)榱鞯赖耐黄?、收縮、彎曲或擴(kuò)散等幾何特征都會(huì)引起流體運(yùn)動(dòng)的變化，并增加流阻。相對(duì)而言，平滑的光滑壁面可以減少摩擦阻力，進(jìn)而減小流阻。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使流道平滑。根據(jù)第一種流道仿真計(jì)算溫度結(jié)果，在冷卻液入口溫度+25℃，流量按照進(jìn)口流量4L/min 條件下，滿載下最高溫度60.5℃，遠(yuǎn)小于模塊殼溫限值，滿足溫度要求。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)環(huán)控要求和仿真結(jié)果，針對(duì)第一種流道開展流阻測試實(shí)驗(yàn)，改變通過被測件的流量，以流量為控制點(diǎn)，測量不同流量下的流阻，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。流阻實(shí)驗(yàn)規(guī)程如下：

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作。將被測件的進(jìn)出水口與測試臺(tái)上的進(jìn)出水口接通；接通電源，打開測試臺(tái)、移動(dòng)冷源和電腦開關(guān)；將移動(dòng)氣壓泵的進(jìn)氣口與測試臺(tái)后部供壓接口連接，并打開移動(dòng)氣動(dòng)增壓泵。

2.在電腦屏幕上點(diǎn)擊流量流阻測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)入主界面。

3.點(diǎn)擊開始實(shí)驗(yàn)，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，銘牌參數(shù)設(shè)置主要對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行設(shè)置，控制方式一般選擇流量控制。

4.點(diǎn)擊確定進(jìn)入工況設(shè)置界面，在界面左下方設(shè)置被測件的流量起始工況點(diǎn)和最后工況點(diǎn)，穩(wěn)定偏差一般設(shè)置為0.05，工況點(diǎn)個(gè)數(shù)根據(jù)被測件要求進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊完成設(shè)置。

5.設(shè)置完成工況點(diǎn)后進(jìn)入測量數(shù)據(jù)界面，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)開始，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟實(shí)驗(yàn)。

6.全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判穩(wěn)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止供液，然后點(diǎn)擊輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

開展流阻實(shí)驗(yàn)的同時(shí)利用軟件進(jìn)行流阻計(jì)算，通過對(duì)比驗(yàn)證仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)得出，在4L/min流量下的流阻為22878.1pa，仿真模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果相差較小，通過對(duì)比得知最大誤差為5.3%，滿足誤差范圍要求，說明仿真結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

4 結(jié)論

本文結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)控條件綜合考慮，分析了流道形狀對(duì)流阻的影響，得到了不同流道的流阻分布云圖。結(jié)果表明：在流體性質(zhì)、管道長度和直徑、流速等不變的前提下，流道幾何形狀會(huì)影響流阻大小。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，在滿足散熱要求的前提下，盡量選用平滑的流道，減小摩擦阻力的同時(shí)減小流阻。

通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明了CAE 仿真軟件仿真的準(zhǔn)確性和可靠性，且可以在設(shè)計(jì)之初確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為提前預(yù)判結(jié)構(gòu)方案及環(huán)控方案的合理性和設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于選擇最佳流道結(jié)構(gòu)尺寸和形狀，提升設(shè)計(jì)效率有促進(jìn)意義，為未來電子產(chǎn)品的可靠性奠定了基礎(chǔ)。