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基于 6SigmaET 的液冷设备热分析及优化

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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。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。

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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:

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对流热量交换可根据牛顿冷却公式来定义:

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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:

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3方案设计

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

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由于整机热功耗过高,设备的表面散热功率密度达到0.177W/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)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735W;

2) 冷却液为蒸馏水,温度为60℃,供液流量为2.5~3.5L/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40kPa;

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SolidworksPro/EUG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”()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“VerifyModeling”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”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2.5L/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15000000,最小网格尺寸0.2mm,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16248704,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。

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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0.2m/s,部分区域不到0.1m/s。冷却液的压降云图如图5所示,流道最大压差为0.97kPa,设备总压降应在此基础上加2TSA-5流体连接器的压降,TSA-5流体连接器在流量为2.5L/min,压降约为5kPa,因此设备总压降为0.97+5×2=10.97kPa,满足压降小于40kPa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。

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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≤2000,流体运动为层流状态;2000<Re<4000,流体运动为过渡状态;Re≥4000,流体运动为紊流状态。

雷诺数的计算公式为:

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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;

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2.5L/min增大到3.5L/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。

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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0.42m/s(如图8所示),此时的雷诺数Re=4200,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3.9kPa,TSA-5流体连接器在流量为3.5L/min,压降约为6kPa,总压降为3.9+6×2=15.9kPa,满足压降小于40kPa的要求。全局最高温度仍出现在5#模块的PCB,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。

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6结束语

从仿真结果可以看出,液冷设备具有强大的散热能力,利用液冷实现高功耗机箱的散热已逐渐成为趋势。同时,应用6SigmaET软件对电子设备进行热仿真分析可以直观了解电子设备的散热性能及温度场分布,在设计初期就可对设备进行优化改进,减小后期设备出现散热问题的可能性,从而有效缩短研发周期,提高设计效率。

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