一种液冷机箱散热效果的计算

◎31万～60万中国科技信息2019年第5期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2019DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2019.05.033可实现度可替代度行业曲线linkappraisementindustry陈甲朋 覃红夷影响力真实度中国直升机设计研究所陈甲朋（1987-）工程师，飞行器设计与工程专业；研究方向：直升机环控系统设计。行业关联度一种液冷机箱散热效果的计算随着电子设备的性能越来越强大，其本身的发热量也不断上升，空如图1所示。气散热方式已经无法满足电子设备的散热需求，因此越来越多的电子设液冷机箱使用乙二醇溶液，设计流量为5L/min，入口备选择使用液冷的方式进行散热，液冷机箱的使用也越来越广泛，本文温度为27℃（300K），液冷机箱中的发热电子元器件最高提供了一种计算方法，可以用来对液冷机箱的散热效果进行计算。使温度为55℃（328K）。每一个液冷板均包括底板和盖板两部分，盖板焊接在底随着电子信息技术的发展，现在电子元器件的功能越板上，盖板和底板之间形成液体流动的空腔，如图2所示。来越强大，体积却越来越小，工作时的热流密度不断上升，液体在液冷板内部流动时，通过热传导带走电子元器件传统方法的空气冷却方式难以满足目前的冷却需求，因此，散发的热量，所以在设计时，液体与液冷板内部的接触面积越来越多的电子设备开始使用液冷机箱进行散热冷却。相要尽量大，因此在本例中液冷板的底板上有很多条形凸起，对于空气冷却，液体散热具有导热系数高、比热容大和体其内部流道如图3所示。积小的优点，本文介绍了一种计算方法，使用有限元软件材料和性能Hypermesh、Fluent和CFD-Post对液冷机箱的散热效箱体和液冷板的主材料为铝合金，牌号为5A06，其主果进行计算。要性能如下：导热系数λ液冷机箱铝=201W/（m·K）；比热容C铝=871J/kg·K；组成密度ρ铝=2719kg/m3以某液冷机箱为例，其主要包括箱体、液体入口、液出抗拉强度σb=305MPa；口和3块相同规格的液冷板，电子元器件均位于液冷板上，弹性模量E=69GPa。图1 液冷机箱图2 液冷板的底板和盖板图3 液冷板内部的流道-84-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2019·中国科技信息2019年第5期31万～60万◎M=qL212其中L为流道的宽度，在本例中为58mm，在焊接区域由弯矩产生的拉应力为：h为盖板的厚度，在本例中为2mm。除了弯矩产生的拉应力，还有剪应力，计算公式为：图4 液冷板上电子元器件的编号焊接区域的最大许用应力为：σallow=305×0.9=274.5MPa要保证焊接区域的安全，拉应力和剪应力产生的复合应力应小于等于许用应力，因此有：图5 两端固支梁的弯矩分布将σallow=274.5MPa，L=58mm，h=2mm带入，可液冷机箱中的液体使用65%浓度乙二醇，其主要性能以得到：如下：导热系数λ通过上述计算可以到，液冷板可以承受的最大压力为乙二醇=0.352W/（m·K）；比热容C0.65MPa。乙二醇=3127J/kg·K；密度ρ乙二醇=1081kg/m3；粘度η乙二醇= 3.84mPa·s建立有限元模型电子元器件因为液冷机箱整体比较复杂，在建立有限元模型时需要电子元器件与液冷板底板上的凸起接触，其编号如图4进行合理简化，针对本例中的机箱，主要从以下几个方面进所示。行简化：每个电子元器件与液冷板的接触面积、发热功率和热通电子元器件的热量主要通过乙二醇溶液带走，因此，不量如表1所示。考虑周围液冷机箱周围空气的热传导和辐射传热，有限元模表1 发热区域统计型中不包含空气；编号发热功率（W）接触面积（m2）热通量W/m2发热元器件均在液冷板上，而且乙二醇溶液也主要在液N1450.000432104167 冷板中流动，因此不考虑箱体的传热作用，有限元模型中不N2300.0004862500 包含箱体；N3150.00075219947 液冷板中的倒角很小，对整体的冷却计算影响很小，因N4300.00039675758 此有限元模型中不包含倒角。N5150.0004112500 使用Hypermesh软件进行网格划分，得到的有限元模N6100.00057452265 型如图6所示。N7250.00258529014 N8100.000264113636 流道许用压力计算液体在液冷板中流动时会对周围结构产生压力，由于液冷板是由底板和盖板焊接而成的，焊接区域的强度只有正常铝合金的90%，因此需要重点对焊接区域进行计算。在液冷板流道的截面上，盖板可以简化为两端固支的梁，液体的压力可以看做是作用在梁上的均匀载荷，其弯矩分布如图5所示。假设流道可以承受的最大压力为P流道，截取流道中一段长度为b的区域，产生的压力为： q=P流道×b两端薄弱区域的最大弯矩为：图6 液冷机箱的有限元模型-85-◎31万～60万中国科技信息2019年第5期·CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2019图7 单个液冷板中的流道图10 铝合金的热性能图8 单个液冷板中的乙二醇溶液图11 乙二醇溶液的热性能图9 液冷板背面的凸起单个液冷板的流道如图7所示。单个液冷板中的乙二醇溶液如图8所示。电子元器件位于液冷板的背面，与液冷板背面上的凸起贴合，如图9所示。计算过程将有限元模型导入Fluent中，并对其中液冷板各个区域的属性进行设置。其中，铝合金材料的热性能设置如图10所示。乙二醇溶液的热性能设置如图11所示。乙二醇溶液的流量为5L/min，密度为1081kg/m3，那么，图12 乙二醇溶液的流量设置流量应为0.09kg/s，其设置如图12所示。显示出各个区域的温度场和压力场。以其中一块液冷板为例，使用热通量（Heat Flux）模拟电子元器件的发热，以上面的电子元器件温度如图14所示。电子元器件N1为例，其设置如图13所示。液冷板中的乙二醇溶液温度如图15所示。对所有区域都设置完成后，在Run Calculation模块中液冷板底板的温度如图16所示。进行计算，得到计算结果。整个液冷机箱中，乙二醇溶液的温度如图17所示。液冷机箱流道内部的压力如图18所示。计算结果由上图可知，流道的最大压力为0.24MPa，流道最大将Fluent的计算结果导入CFD-Post中，可以方便的可以承受的压力为0.65MPa，因此流道的压力是安全的。-86-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2019·中国科技信息2019年第5期31万～60万◎图13 电子元器件的热通量图16 液冷板底板的温度（单位为K）图14 液冷板背面的电子元器件温度（单位为K）图17 液冷机箱中乙二醇溶液的温度（单位为K）图15 液冷板中乙二醇溶液的温度（单位为K）图18 液冷机箱内部流道的压力（单位为Pa）对3块液冷板所有电子元器件的温度进行统计，统计结经过上面的计算，可以得到，经过液冷机箱的冷却，电果如表2所示。子元器件的最高温度为52℃，低于其最高使用温度55℃，表2 电子元器件的最高温度统计（℃）液冷机箱能满足电子元器件的冷却使用要求。电子元器件液冷板1液冷板2液冷板3N1514951结束语N2434343根据前面的论述，可知计算过程主要包括以下几个步骤：N3343434根据液冷机箱的实际情况，找出其主要冷却方式，进行N4454747合理的简化，使用Hypermesh建立有限元模型；N5525252使用Fluent进行冷却效果的计算；N6454545使用CFD-Post显示计算结果。N7424241这种计算方法充分利用几个软件的优点，具有效率高和N8525252结果准确的特点，可以广泛用于各种液冷机箱的计算。-87-