液体冷板计算仿真研究

冯 静

（船舶重工集团公司723所，扬州 225001）

0 引 言

随着现代电子技术的迅速发展，元器件的功率、密度不断提高，需采用合理的冷却及散热手段，以控制设备内的温升，使电子元器件的温度在规定的数值之下［1］。液体冷却可分为直接液体冷却和间接液体冷却，都是靠液体的流动带走热量的散热方式。液体冷板属于间接液体冷却，利用了液体导热系数及比热容较大的特性，另外液体还具有重量轻、体积小的优点。液体冷板作为一种高效成熟的冷却设备得到了广泛的应用［2］。下文即对液体冷板运用于电子器件的散热特性开展研究。

1 液体冷板热特性计算

1.1 问题描述

在环境温度为35℃以下，一块铝制水冷板上安装3个晶体管，其中单个晶体管的发热功率Q0＝160 W，元件安装表面的最高允许温度是70℃。图1给出了冷板的外形尺寸、结构形式，冷却水相关参数如表1所示。求当前条件下，若在晶体管安装表面采用硅脂，元件表面温度是多少℃［3］？

表1 冷却水物性参数

1.2 计算分析

元件安装表面的温度可通过计算元件到冷却液之间热流通道上的温升而求得。

（1）晶体管与液体冷板安装结合面上的温升Δt1

由于表面材料并不平整和光滑，2个连接表面的界面是由许多点到点的接触点和它周围的空气鼓包组成的，所以大多数界面之间都存在接触热阻。为了减少接触热阻，可以采用提高两接触面的光洁度，并在接触面涂覆薄层导热脂的方法。

对于采用热硅脂安装的晶体管，可查得其热阻R＝0.2℃／W，Δt1＝R·Q0＝32℃，Q0应为单个晶体管的功率耗散量。

图1 液冷板结构尺寸

（2）晶体管向液体冷板上冷却通道传导热量的温升Δt2

依据傅里叶定律，在导热过程中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于垂直于导热方向的导热面积及温度变化率，从而有：

式中：Q0＝160 W，为单个晶体管的功率耗散量；Δx＝20 mm，为热传导长度；λ＝180 W／（m×℃），为液冷板材料的热导率；

（3）晶体管与液冷板冷却液对流换热的温升Δt3

Δt3是流体发生相对位移时而引起的热量传递过程，本案例中流体的运动是由外力引起的，则这一过程是强制对流性的，故：

式中：Q＝480 W，为3个晶体管的总功率；A＝πDe L，为液冷板冷却通道内壁表面积；L＝391.946 mm，为液冷板冷却通道有效长度。

（4）冷却液在流过液冷板时从所有晶体管上带走热量引起的温升Δt4

Δt4是冷却液流过冷板而引起的温升，根据液冷公式，Δt4为：

从而晶体管与液冷板接触面的温度：

则按照以上方法计算冷却液不同流量时晶体管的最高温度，如表2所示。

表2 液冷板表面温度计算结果

2 热仿真过程

Icepak是热管理和电子设备散热分析的专业软件，可对系统级、设备级、元件级的电子产品进行热分析。对本例仿真，得到的液冷板温度场分布如图2所示。

且不同流量设置时液冷板安装表面最高温度如表3所示，仿真结果表明随着流量的增加，晶体管安装表面温度逐渐降低，可以取得较好的冷却效果。且仿真结果与计算结果进行比较，误差在10%以内，相互印证提高了仿真结果的可信度。

表3 液冷板表面温度仿真结果

图2 液冷板表面温度场分布

3 结束语

通过对液体冷板的性能计算及计算机仿真，可以在设计过程中对液体冷板的性能有所把握，对提高设计效率，减少重复工作具有一定意义。

［1］高新霞.大功率电子元器件及设备结构的热设计研究［D］.北京：华北电力大学，2006.

［2］陶文铨，杨世铭.传热学［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］顾学歧.冷板的优化设计及强度计算［J］.电子机械工程，2006，1998，24（1）：24－32.