基于6SigmaET的液冷设备热分析及优化

2017-03-08刘启航陈正江

电子机械工程 2017年6期

刘启航，陈正江，黄巍

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都 610041)

引言

随着电子工业技术的发展，电子设备不断向小型化、多功能化方向发展，与此同时，电子设备内部的元器件的功率却不断增大，这使得散热问题显得尤为突出。传统的热设计往往是凭借设计师的经验制出样机，通过试验进行验证和优化，这种设计方法周期长，对设计者依赖较高，已不能满足电子设备发展的要求[1-4]。现通过热力学仿真软件6SigmaET对某电子设备进行仿真分析，能够较为准确地反映电子设备的散热情况，在产品初始设计阶段就开展优化，规避可能存在的风险，有效缩短了设计周期。

1 液冷原理

目前电子设备常用的散热方式有自然散热、强迫风冷、直接液冷以及蒸发冷却。散热方式可以根据图1所示来确定。

图1 按热流密度和温升选择散热方式

当设备的表面热流密度不高时，可采用自然散热或强迫风冷，但对于高功耗设备，普通的散热方式已不能满足设备的散热需求，设备可能会由于温度过高而失效，此时可采用液冷方式对设备进行散热，以保证设备正常工作。

液冷设备通常包含冷板、冷却液、液压泵、液体连接器、管道和水箱等。其散热的基本原理是：冷却液在液压泵的带动下在设备的冷板流道中强制循环，通过冷却液与设备的热交换带走热源散发的热量。由于液体的吸热量远远大于空气，因此液冷是解决高功耗设备散热的有效途径。

2 热量传递的基本形式

液冷设备的热量传递主要有3种形式：热传导、对流散热以及热辐射。

热传导的基本定律为傅里叶定律：

式中：Φ为热流量，W；k为导热系数，W/(m·K)；A为导热方向的截面面积，m2；∂t/∂n为温度梯度。

对流热量交换可根据牛顿冷却公式来定义：

Φ=hA(tw-tf)

式中：Φ为热流量，W；h为换热系数，W/(m2·℃)；A为换热面积，m2；tw为固体壁面的温度，℃；tf为流体温度，℃。

辐射热流量的计算经常采用玻尔兹曼定律的经验修正公式：

Φ=εσA(T41-T42)

式中：ε为辐射率，取值范围0～1；σ为玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；A为发热体表面积，m2；T1为发热体表面的温度，℃；T2为分布在周围的各物体的表面温度，℃。

3 方案设计

某电子设备如图2所示，外形尺寸为长×宽×高=320 mm × 300 mm ×180 mm(不包含把手和连接器)。

图2 某电子设备模型结构

由于整机热功耗过高，设备的表面散热功率密度达到0.177 W/cm2，因此采用液体冷却散热设计。机箱框架由上盖板、底座、左侧板、右侧板焊接形成，其中上盖板、底座和右侧板为冷板，内均布有流道。为了方便供液系统工作，将冷却液的进出口均置于右侧板上。冷却液通过流体连接器(TSA-5型)进入机箱右侧板流道，分别流经上盖板和底座，回流至右侧板后通过流体连接器流出机箱。设备采用模块化设计，内置10个功能模块，模块通过紧固锁紧条与机箱的上盖板和底座紧密贴合。每个模块均由上下结构件、锁紧条、PCB、导热垫等零部件组成。其中1#为电源模块，2#～10#为系统单元，各个模块相互独立，通过背板实现电气互联。设备的设计指标分解为：

1)总机热功耗为735 W；

2)冷却液为蒸馏水，温度为60 ℃，供液流量为2.5～3.5 L/min；

3)设备工作的环境温度为-20 ℃～80 ℃，系统单元内关键器件的温度上限为83 ℃，电源模块的温度上限为90 ℃；

4)为保证设备正常工作，要求设备的压降小于40 kPa；

4 热分析过程

利用专业热仿真软件6SigmaET进行热分析，其主要流程是建立模型、设定边界条件、划分网格、仿真计算、后处理等。

4.1 建立仿真模型

6SigmaET专门为电子行业使用者定制了组件模型，包括机箱、PCB、电阻、电容、电感、芯片、风机、通风口等。此外，软件通过模型树逐级建模和显示，将设计人员的建模思路清晰地展示出来。同时CAD接口支持Solidworks、Pro/E、UG等三维软件模型的导入，可将模型拆分，与自建模型结合。在模型导入前，为了便于划分网格，提高计算效率，对原模型进行适量的简化：

1)删除紧固件、线缆、开关、把手、插座等对结果影响不大的零部件。

2)对箱体上的几个主要零件：上盖板、底座、前面板、后面板、左侧板、右侧板等进行特征简化，删除安装孔、倒角等特征。

3)对箱体内部的功能模块进行简化，去掉多余特征。

将简化后的模型转化为STL格式导入6SigmaET软件中。模型导入后，将模型拆分为零部件，并转换成6SigmaET能够识别的组件，例如将印制板模型转换成“PCB”，将发热芯片模型转换成“Component”。

在模型进水口和出水口的位置分别建立泵供水口和泵回水口组件模型，孔径大小与模型进/出水口一致。再新建一个“pump”(泵)组件模型，并将其属性中的进水口、出水口与之前建立的泵供水口、泵回水口一一对应。模型完成后，点击“Verify Modeling”命令，检查模型是否存在错误。

4.2 加载边界条件

确认模型无误后，定义机箱的计算域。一般情况下，自然散热的计算域有明确的要求，而液冷散热则由设计师根据需要设置，通常大于机箱外轮廓即可。先将“Chassis”的6个面卸载，设定环境温度为80 ℃作为温度边界。然后设置各结构件的材料属性以及功能模块内芯片的热功耗。冷却液属性设置包括：在建立的“pump”的属性栏中设定冷却液种类为蒸馏水，流量为2.5 L/min，流体初始温度为60 ℃。迭代步数、松弛因子、重力等保持默认设置。

4.3 网格划分

网格划分是热仿真的关键步骤，网格质量的好坏直接反映了仿真模型的质量，更关系到计算结果的精确度。划分网格既要考虑模型的复杂程度，保证其计算的精确性，同时又要适当控制网格规模，以减少计算时间。

设置目标网格数为15 000 000，最小网格尺寸0.2 mm，开启高级网格控制，对发热芯片等重点零部件进行网格增密。网格划分完成后需对网格质量进行检查，为保证计算精度，网格最大长宽比应控制在100以内。图3为划分后的网格示意图，实际网格数为16 248 704，网格最大长宽比为93.7。检查网格质量以后，启动CFD求解器进行计算。

图3 网格示意图

4.4 后处理

6SigmaET采用进阶的内存处理系统执行Multi-grid计算。经过计算，冷却液初始温度为60 ℃，回水口处的温度为63.4 ℃，温升为3.4 ℃。流道内冷却液的流速较低(如图4所示)，平均流速约为0.2 m/s，部分区域不到0.1 m/s。冷却液的压降云图如图5所示，流道最大压差为0.97 kPa，设备总压降应在此基础上加2个TSA-5流体连接器的压降，而TSA-5流体连接器在流量为2.5 L/min时，压降约为5 kPa，因此设备总压降为0.97+5×2=10.97 kPa，满足压降小于40 kPa的要求。同时，最高温度出现在5#模块上，其内部PCB的温度云图如图6所示，最高温度为80.5 ℃，虽然低于芯片的温度上限83 ℃，但是冗余量较小，存在一定风险。

图4 冷却液速度云图

图5 冷却液压降云图

图6 5#模块内PCB温度云图

5 热设计优化

一般情况下，流体在流道内的运动状态分为层流和紊流，紊流的换热强度是层流的数倍，而雷诺数Re是一种可以表征流体运动情况的无量纲数。当Re≤2 000时，流体运动为层流状态；当2 000

雷诺数的计算公式为：

式中：V为液体在流道内的平均流速，m/s；D为流道的当量直径，m；ν为流体的运动粘度，m2/s。计算得到优化前Re=2 000，流体运动为过渡状态。为了增大雷诺数，最直接有效的办法就是增大平均流速V。

5.1 优化措施

综上所述，为了改善设备的散热性能，采取如下优化措施：

1)将流道中的圆角改为直角；

2)在流道中增加一些不规则的凸起和斜面破坏流体运动状态，增加冷却液的扰动[5]；

3)减小局部流道的横截面积，形成喇叭口；

4)将冷却液流量从2.5 L/min增大到3.5 L/min，由于流道截面基本保持不变，这样间接增大了液体流速，从而达到紊流状态。

流道优化前后对比如图7所示。

图7 流道优化前后对比视图

5.2 优化结果

对优化模型进行仿真计算，得到流道内冷却液温升为2.7 ℃，平均流速约为0.42 m/s(如图8所示)，此时的雷诺数Re=4 200，流体运动为紊流状态。冷却液的压降云图如图9所示，流道最大压差为3.9 kPa，TSA-5流体连接器在流量为3.5 L/min时，压降约为6 kPa，总压降为3.9+6×2=15.9 kPa，满足压降小于40 kPa的要求。全局最高温度仍出现在5#模块的PCB上，如图10所示，最高温度为76.3 ℃，较优化前下降了约4 ℃，优化效果明显。