嵌管液冷機(jī)箱的熱設(shè)計研究

王 莉

（上海航天科工電器研究院有限公司，上海 200333）

0 引言

隨著電子技術(shù)微型化以及高集成度、高功率電子器件的應(yīng)用發(fā)展，目前電子設(shè)備體積越來越小，功率越來越大，熱量無法及時排出，導(dǎo)致堆積，使得設(shè)備局部溫度升高，從而出現(xiàn)電子設(shè)備熱失效的情況。目前應(yīng)用較廣泛的散熱技術(shù)分別為金屬導(dǎo)冷式、風(fēng)冷式和液冷式三種，其中液冷散熱技術(shù)由于其液體介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)高，且是強(qiáng)制熱對流的換熱方式，相對空氣的熱對流及常規(guī)散熱金屬熱傳導(dǎo)來說有更好的換熱效果，液冷系統(tǒng)散熱量級甚至為傳統(tǒng)風(fēng)冷式、導(dǎo)冷式散熱的100倍以上[1]。但液冷機(jī)箱在現(xiàn)實使用中往往會面臨冷卻液泄漏的問題，而鈦合金具有耐腐蝕、質(zhì)輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點，將內(nèi)部流道利用一體化焊接成型的鈦管替代，可以有效避免泄漏、腐蝕等問題。

本文根據(jù)液冷機(jī)箱使用中遇到的泄漏、腐蝕問題及結(jié)構(gòu)散熱要求，設(shè)計一款可安裝標(biāo)準(zhǔn)模塊的嵌鈦管三面通液結(jié)構(gòu)的液冷機(jī)箱，并通過ANSYS軟件對其散熱性能進(jìn)行評估。仿真采用傳熱學(xué)三大方程，分別為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程[2]，其基本思想是測量時間和空間上的連續(xù)物理量，如速度場、溫度場、壓力場等，用有限個離散單元上的變量替換。通過以某種方式在有限個離散單元上的變量之間設(shè)置代數(shù)方程組，求解代數(shù)方程組以獲得每個物理場的近似值[3]。

熱量傳遞的三種方式分別為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱量僅通過分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動進(jìn)行傳遞的方式稱為熱傳導(dǎo)，或稱導(dǎo)熱。導(dǎo)熱的效率與材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積和溫差有關(guān)。熱對流是發(fā)生在流體與固體之間的換熱方式，即兩者之間有溫度差時所發(fā)生的熱量傳遞。熱對流分為自然對流和強(qiáng)制對流[2]，自然對流的換熱量一般遠(yuǎn)小于強(qiáng)制對流。熱輻射是熱在真空中傳遞的唯一方式，輻射換熱過程是一種能量互換的過程，能量在電磁能和熱能之間轉(zhuǎn)換。輻射換熱與溫差關(guān)系最大，當(dāng)溫差小時可以忽略不計。

1 機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文依據(jù)熱設(shè)計理論對機(jī)箱液冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，液冷機(jī)箱采用插件式結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)箱框架采用鋁合金材料焊接而成，內(nèi)部嵌有1 mm厚、外徑為8 mm的鈦管。機(jī)箱外形尺寸為482.6 mm×88.1 mm×360 mm，由1塊主板、2塊電源模塊和1個功能模塊共4個插件組成。4個插件在機(jī)箱內(nèi)部水平放置，總熱耗為820 W，熱耗組成如表1所示。

表1 液冷機(jī)箱設(shè)備熱耗組成

機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了保證各熱源能夠得到較好的散熱，鈦管流道布置路徑如圖2所示。各插件內(nèi)部熱源分布尺寸如表2～4、圖3～5所示。為了增加散熱效果，熱源上裝有可壓縮的導(dǎo)熱膠板，能降低散熱熱阻，加快熱量散出。

圖1 液冷機(jī)箱外形結(jié)構(gòu)

圖2 內(nèi)部流道與路徑

圖3 主板模塊功耗分布

圖4 功能模塊功耗分布

圖5 電源模塊功耗分布

表2 主板模塊發(fā)熱元器件及熱耗

表3 功能模塊發(fā)熱元器件及熱耗

表4 電源模塊發(fā)熱元器件及熱耗

2 熱仿真分析

2.1 基本假設(shè)及條件

為建立數(shù)學(xué)仿真模型，減少數(shù)值計算的運(yùn)算量，對物理模型進(jìn)行如下假設(shè)[4]：

1）機(jī)箱持續(xù)運(yùn)行于正常工作狀態(tài)下，整體的流動與換熱為穩(wěn)態(tài)；

2）由于主要仿真機(jī)箱內(nèi)部溫度分布，因此對蓋板、螺紋孔等結(jié)構(gòu)忽略不計；

3）液冷時采用管道液冷的方式，液體介質(zhì)為淡水，進(jìn)口流量為1.5 L/min，進(jìn)液溫度為20～38 ℃，環(huán)境溫度為0～55 ℃，取最惡劣情況，將進(jìn)液溫度設(shè)置為38 ℃，環(huán)境溫度設(shè)置為55 ℃；

4）忽略輻射換熱；

5）圖6為簡化后模型。

圖6 模型簡化圖

2.2 數(shù)值計算與仿真結(jié)果分析

2.2.1 邊界條件

1）流動邊界條件：取壁面處無滑移邊界條件，即固體表面流速等于固體表面速度為0。

2）熱邊界條件：采用第一類邊界條件，壁溫采用環(huán)境溫度55 ℃；冷卻液的進(jìn)口溫度為38 ℃，進(jìn)口流量為1.5 L/min。

2.2.2 網(wǎng)格劃分

模型中除各個插件的發(fā)熱器件安裝基板為PCB材料外，所有外殼器件材料都設(shè)定為6063-T6 鋁合金，此型號鋁合金密度為2 700 kg/m3，導(dǎo)熱率為209 W/（m·K），比熱容為900 J/（kg·K）。鈦管的材料設(shè)定為TA1鈦，此型號鈦密度為4 508 kg/m3，導(dǎo)熱率為14.5 W/（m·K），比熱容為536 J/（kg·K）。內(nèi)部冷卻液為水。

本次數(shù)值模擬仿真采用ANSYS軟件的Icepak自帶切分網(wǎng)格工具，采用Hexa Cartesian方法劃分非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)和單元數(shù)分別為970 643、996 691，劃分好的網(wǎng)格直接使用Icepak進(jìn)行計算。

2.2.3 仿真結(jié)果

機(jī)箱液冷仿真結(jié)果如圖7所示，功耗為合計820 W，從圖中可以看出，整機(jī)的最高溫度約為64.4 ℃，液冷溫度維持效果較好。

圖7 整機(jī)溫度分布圖

各個插件中發(fā)熱器件的溫度分布情況如圖8～10所示。主板模塊中A1、A7模塊溫度最高，最高溫度約為64.4 ℃，滿足不超過75 ℃的指標(biāo)要求。功能模塊中發(fā)熱器件最高溫度約為54.3 ℃，滿足設(shè)計要求。電源模塊最高溫度約58.5 ℃，滿足設(shè)計要求。模塊的最高溫度處于主板模塊中功耗最高的芯片處，符合理論規(guī)律。

圖8 主板模塊溫度分布圖

圖9 功能模塊溫度分布圖

圖10 電源模塊溫度分布圖

液冷管道的溫度分布如圖11、圖12所示：從進(jìn)口處到出口處溫度總體呈上升趨勢，局部會有溫度降低的趨勢，這是因為模擬的是溫度穩(wěn)定時的分布，溫度最高點與板卡內(nèi)部一致。而鈦管最高溫度為49.45 ℃，內(nèi)部冷卻液最高溫度為49.29 ℃，說明鈦管由于只有1 mm厚度，整體熱阻較小，對熱量的傳遞及機(jī)箱的溫升影響較小，可以應(yīng)用于機(jī)箱散熱。

圖11 鈦管管道溫度分布圖

圖12 內(nèi)部流體溫度分布圖

3 結(jié)論

本文利用Icepak仿真軟件對整個機(jī)箱進(jìn)行熱分析，通過仿真分析，得出55 ℃環(huán)境溫度液冷條件下，機(jī)箱最高溫度為64.4 ℃，存在于主板模塊區(qū)域（此區(qū)域距離冷卻液較遠(yuǎn)且單位體積功率較高），對應(yīng)入口溫升26.3 ℃，溫升較進(jìn)液溫度而言較低，可以將熱源的最高溫度控制在75 ℃以內(nèi)，能夠較好地降低溫升，滿足設(shè)計指標(biāo)。

采用數(shù)值模擬技術(shù)得到液冷機(jī)箱內(nèi)部模塊溫度分布情況，能夠給機(jī)箱設(shè)計提供依據(jù)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供方向。