基于CFX的微通道液冷冷板设计与优化

朱玉璞

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)



基于CFX的微通道液冷冷板设计与优化

朱玉璞

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068)

散热不良导致的热失效是电子设备失效的主要形式，而微通道液冷冷板具有较高的换热效率。使用专业流体热仿真软件CFX分析相同边界条件下不同结构参数微通道冷板的热效性能，寻求最优设计方案。

微通道；热仿真；液冷冷板

0 引 言

随着电子器件集成化趋势的发展，电子设备功率增大、封装密度增大、体积缩小，导致电子设备的热流密度急剧上升[1]。如果这些热量不能及时散发出去，将直接影响电子设备的正常工作，甚至引起电子设备的损毁。因此，解决大功率、高热密度下机载电子设备的散热是特种飞机环境控制中的一个十分关键的问题[2]，也是特种飞机完成使命的一个重要保证。微通道冷板具有结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠等特点[3]，它在微电子、航空航天、高温超导体的冷却及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中广泛使用，特别是在微型化的换热装置作为相应系统的配套设备情况下发挥了举足轻重的作用。

本文利用流体热分析软件CFX[4]对不同结构参数的微通道冷板进行热仿真分析，并通过实验系统测试来验证仿真结论和修正仿真分析方法。再依据微通道液冷冷板的仿真分析结果，对不同冷板的换热效果和系统泵功耗进行对比，寻求微通道冷板传热性能的规律以及微通道结构参数对换热性能的影响，为微通道冷板设计提供定性和定量参考。

1 基于CFX的微通道液冷冷板仿真分析方法

本文采用CFX软件，通过建立合理的模型和边界条件，划分足够精确的网格，就可以较为准确地分析出冷板的三维流场和温度场分布，从而直观地判断冷板的散热性能，通过对比达到微通道液冷冷板设计参数优化的目的。

在微通道冷板研究领域，通常以换热系数和压损作为衡量冷板性能的主要指标，仿真分析可选取换热系数h1和进出口压损ΔP2个目标值作为液冷冷板的换热性能衡量指标。h1是以流固交界面积计算所得的换热系数，它的工程意义是整体上衡量冷板对芯片的散热能力指标。h1的定义公式为：

(1)

式中：Ai为对流换热的流固交界面积；Tw为流固交界面固体平均温度；Tf为进出口冷却液平均温度；Q为总换热量。

进出口压损ΔP可以衡量泵功耗。压损越大，消耗的泵功越大，对泵的要求也越高，并与经济成本相关。ΔP的定义公式为：

ΔP=Pin-Pout

(2)

式中：Pin为进水口平均压力；Pout为出水口平均压力。

2 数值模拟与实验结果对比验证

本文是采用仿真与实验相结合的方法来进行研究的，所以先要对这一方法进行准确性验证，在此选取LB-D5冷板进行仿真结果与实验结果对比验证。

分别对LB-D5冷板进行仿真分析和试验测试，热流密度为30 W/cm2，冷板入口流量为10～50 L/h，试验测试系统原理如图1所示。

LB-D5冷板试验测试与仿真结果对比如图2所示。从图2中可以看到，两者的计算结果比较相近，出入口温差误差为2%～5%，出入口压差误差为7%～15%，均低于20%，表明仿真计算结果与实验测试结果基本一致，同时验证了仿真算法的可靠性。

3 微通道基本设计参数仿真分析

3.1 微通道与常规通道换热性能的影响

在常规通道冷板LB-C5中加入微肋形成微通道冷板LB-D5，如图3所示，微通道槽道宽度为0.5 mm，肋片宽度E=1 mm，肋片高度D=5 mm，对比仿真分析,目的在于比较微通道冷板和常规通道冷板的特性。

分别对这2种冷板的换热能力进行仿真计算，其中热流密度为30 W/cm2，冷板入口流量为10～55 L/h，仿真结果对比如图4所示。从图4可以看出，LB-D5与LB-C5相比换热系数和出入口温差都有明显增加，这是因为当冷板内增加微通道结构时，会使通道内的流固换热面积增加，流体流动过程就能带走更多的热量，换热性能大幅提高；LB-D5与LB-C5相比压差增加很小，所以冷板内增加微通道结构能显著提高冷板综合换热性能。

3.2 微通道内通道高对换热性能的影响

改变微通道冷板LB-D5中微肋的高度D，LB-D3.5是微通道高3.5 mm的冷板，LB-D2是微通道高2 mm的冷板，如图5所示，保持微通道槽道宽度为0.5 mm和肋片宽度E=1 mm不变，以探究微肋高对微通道换热性能的影响。

对LB-D3.5、LB-D2 2种冷板的换热能力进行仿真计算，其中热流密度为30 W/cm2，冷板入口流量为10～55 L/h，结果对比如图6所示。

从图6可以看出，当通道高度D增大时，冷板对流换热系数h1增大，换热性能提高，压差也有一些下降。这是由于通道变高会增加流固换热面积，所以增加了换热性，而且在体积流量保持不变的情况下通道内流速会减小，进出口压差随之降低。因此，在总体结构尺寸和重量允许的情况下，通道高度D应尽量大一些，这样既提高了冷板换热性能，又减小了泵功耗。

3.3 微通道内肋宽对换热性能的影响

改变微通道冷板LB-D5中微肋的宽度E，LB-E0.5是微通道宽0.5 mm的冷板，如图7所示，保持微通道槽道宽度为0.5 mm和肋片高度D=0.5 mm不变，以探究微肋宽对微通道换热性能的影响。

对LB-D5、LB-E0.5 2种冷板的换热能力进行仿真计算，其中热流密度为30 W/cm2，冷板入口流量为10～55 L/h，结果对比如图8所示。

从图8可以看出，LB-E0.5与LB-D5相比,换热系数和压差都有所增加。因为在冷板宽度一定时，减小通道内肋宽，就相应地增加了流道数目，可以提高冷板换热性能。

实际上，其它参数不变，增大流道数目时，流道高宽比也随之增大，通道当量直径Dh随之变小，且对流换热面积增大，从而使得换热系数h1增大。所以，减小通道肋宽是提高冷板换热性能的有效方法。但与此同时，由于通道尺寸减小，通道流量增加，因而进出口压差(压力损失)ΔP也增大，是以增加泵功耗和加工难度为代价提升换热性能的。

3.4 微通道内流道形式对换热性能的影响

实际应用中芯片设计要求冷却液进出口可能在对侧或同侧，设计了LB-RW3、LB-RZ3、LB-UW1和LB-YW1 4种微通道流道结构，以探究微通道结构形式对换热性能的影响，通过测试比对换热效率相同时各冷板所需系统流量和压损的差异，为冷板设计是否能够满足系统流量和压损要求提供参考依据。其中LB-RW3、LB-UW1和LB-YW1 3种冷板是冷却液进出口在同侧，LB-RW3与LB-UW1冷板相比入口段较短，如图9所示。

对LB-RW3、LB-RZ3、LB-UW1和LB-YW1 4种冷板的换热能力进行仿真计算，其中热流密度为30W/cm2，冷板入口流量为10～55L/h，结果对比如图10所示。从图10可以看出，冷板内微通道的结构分布对换热性能有一定影响，因为随着微通道结构的改变，流体在冷板内的流动路径也会发生改变，从而能带走的热量也各不相同，换热性能也随之变化。

从图10中可以看出,换热性能从高到低依次为LB-YW1、LB-UW1、LB-RW3、LB-D5和LB-RZ3，冷板出入口压差从高到低依次为LB-YW1、LB-UW1、LB-RW3、LB-RZ3和LB-D5，但压差差距较小。LB-RZ3冷板的换热系数低于LB-D5是因为LB-RZ3入口段长度较短，流体未能充分发展就进入了微通道结构，降低了换热效率，故在实际应用中要设计合适的入口段长度。

综合换热性能和压降,考虑这几种冷板换热性能,最佳的应为LB-YW1结构型冷板。

4 微通道液冷冷板仿真设计总结

从以上仿真计算可以得出以下结论：

(1) 在设计矩形微通道冷板时，在不超过最大功耗且泵流量足够的前提下，应根据加工水平增大流道数、微通道高度D和流量。简单来讲，就是通道要“密”、“窄”、“高”，同时流速要“快”。

(2) 在结构设计允许情况下可以尝试设计流道相对复杂的微通道结构来提高换热性能，如Y型结构冷板。

(3) 设计流道时应设计合适的入口段长度。

(4) 液冷冷板和芯片的温度对于流量十分敏感，对流量变化响应很快，但流量达到一定值后，芯片温度趋于稳定，再增大流量对芯片温度降低效果很小，且会造成泵功耗增大，影响冷板经济性。

5 结束语

本文对多种结构形式的微通道液冷冷板进行了热仿真分析，并通过实验系统测试来修正仿真分析方法和验证仿真结论，研究了微通道冷板结构参数对流阻性能和换热性能的影响，为微通道冷板设计提供了定性和定量参考。

[1] 吕景祥,赵高波,成宏军.微通道液冷冷板矩形槽道铣削工艺实验研究[J].制造技术与机床,2015(10):115- 118.

[2] 朱春玲,宁献文.用于机载大功率电子设备的新型液冷环控系统的研究[J].南京航空航天大学学报,2005,37(2):203-207.

[3] 鬲钟雪,刘顺波,舒明均.板翅式换热器的研究进展[J].洁净与空调技术,2013(4):54-56.

[4] 李丽丹,李声.基于CFX和Workbench的数值仿真技术[J].中国测试,2010,36(5):79-80.

Design and Optimization of Micro-channel Liquid Cooling Cold Board Based on CFX

ZHU Yu-pu

(The 20th Research Institute of CETC, Xi'an 710068,China)

The thermal failure caused by bad heat dissipation is a main mode of electronic equipment failure,while the micro-channel liquid cooling cold board has a high heat exchange efficiency.This paper uses professional fluid thermal simulation software CFX to analyze the thermal efficiency of micro-channel cold board with different structural parameters under the same boundary conditions,seeks for the best design scheme.

micro-channel;thermal simulation;liquid cooling cold board

2017-01-12

TN830.5

B

CN32-1413(2017)02-0109-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.025