液體冷板計算仿真研究

馮 靜

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展，元器件的功率、密度不斷提高，需采用合理的冷卻及散熱手段，以控制設(shè)備內(nèi)的溫升，使電子元器件的溫度在規(guī)定的數(shù)值之下［1］。液體冷卻可分為直接液體冷卻和間接液體冷卻，都是靠液體的流動帶走熱量的散熱方式。液體冷板屬于間接液體冷卻，利用了液體導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容較大的特性，另外液體還具有重量輕、體積小的優(yōu)點。液體冷板作為一種高效成熟的冷卻設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用［2］。下文即對液體冷板運用于電子器件的散熱特性開展研究。

1 液體冷板熱特性計算

1.1 問題描述

在環(huán)境溫度為35℃以下，一塊鋁制水冷板上安裝3個晶體管，其中單個晶體管的發(fā)熱功率Q0＝160 W，元件安裝表面的最高允許溫度是70℃。圖1給出了冷板的外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式，冷卻水相關(guān)參數(shù)如表1所示。求當(dāng)前條件下，若在晶體管安裝表面采用硅脂，元件表面溫度是多少℃［3］？

表1 冷卻水物性參數(shù)

1.2 計算分析

元件安裝表面的溫度可通過計算元件到冷卻液之間熱流通道上的溫升而求得。

（1）晶體管與液體冷板安裝結(jié)合面上的溫升Δt1

由于表面材料并不平整和光滑，2個連接表面的界面是由許多點到點的接觸點和它周圍的空氣鼓包組成的，所以大多數(shù)界面之間都存在接觸熱阻。為了減少接觸熱阻，可以采用提高兩接觸面的光潔度，并在接觸面涂覆薄層導(dǎo)熱脂的方法。

對于采用熱硅脂安裝的晶體管，可查得其熱阻R＝0.2℃／W，Δt1＝R·Q0＝32℃，Q0應(yīng)為單個晶體管的功率耗散量。

圖1 液冷板結(jié)構(gòu)尺寸

（2）晶體管向液體冷板上冷卻通道傳導(dǎo)熱量的溫升Δt2

依據(jù)傅里葉定律，在導(dǎo)熱過程中，單位時間內(nèi)通過給定面積的熱流量，正比于垂直于導(dǎo)熱方向的導(dǎo)熱面積及溫度變化率，從而有：

式中：Q0＝160 W，為單個晶體管的功率耗散量；Δx＝20 mm，為熱傳導(dǎo)長度；λ＝180 W／（m×℃），為液冷板材料的熱導(dǎo)率；

（3）晶體管與液冷板冷卻液對流換熱的溫升Δt3

Δt3是流體發(fā)生相對位移時而引起的熱量傳遞過程，本案例中流體的運動是由外力引起的，則這一過程是強制對流性的，故：

式中：Q＝480 W，為3個晶體管的總功率；A＝πDe L，為液冷板冷卻通道內(nèi)壁表面積；L＝391.946 mm，為液冷板冷卻通道有效長度。

（4）冷卻液在流過液冷板時從所有晶體管上帶走熱量引起的溫升Δt4

Δt4是冷卻液流過冷板而引起的溫升，根據(jù)液冷公式，Δt4為：

從而晶體管與液冷板接觸面的溫度：

則按照以上方法計算冷卻液不同流量時晶體管的最高溫度，如表2所示。

表2 液冷板表面溫度計算結(jié)果

2 熱仿真過程

Icepak是熱管理和電子設(shè)備散熱分析的專業(yè)軟件，可對系統(tǒng)級、設(shè)備級、元件級的電子產(chǎn)品進行熱分析。對本例仿真，得到的液冷板溫度場分布如圖2所示。

且不同流量設(shè)置時液冷板安裝表面最高溫度如表3所示，仿真結(jié)果表明隨著流量的增加，晶體管安裝表面溫度逐漸降低，可以取得較好的冷卻效果。且仿真結(jié)果與計算結(jié)果進行比較，誤差在10%以內(nèi)，相互印證提高了仿真結(jié)果的可信度。

表3 液冷板表面溫度仿真結(jié)果

圖2 液冷板表面溫度場分布

3 結(jié)束語

通過對液體冷板的性能計算及計算機仿真，可以在設(shè)計過程中對液體冷板的性能有所把握，對提高設(shè)計效率，減少重復(fù)工作具有一定意義。

［1］高新霞.大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2006.

［2］陶文銓，楊世銘.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［3］顧學(xué)歧.冷板的優(yōu)化設(shè)計及強度計算［J］.電子機械工程，2006，1998，24（1）：24－32.