SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：由于高热流密度芯片热量集中，芯片温度高，需要采用液体冷却模块进行强化换热。对于多个冷却模块，采用流体分配技术，冷却模块流体分配的均匀性至关重要。为提高电子器件液冷中微小通道冷却模块换热性能以及流体分配均匀性，采用基于流体流热耦合的仿真方法进行评估优化。根据热源热耗大小及分布情况，设计一种菱形扰流柱流道结构提高冷却模块的换热性能。基于冷却模块的流量流阻特性，对流体分配器流道进行设计，采用CFD计算求解整个网络，得到微小通道冷却模块流体分配结果。研究结果表明：冷却液流量以进出口温差5℃计算，使用菱形扰流柱形式的微小流道可解决热流密度140 W/cm2芯片散热问题，实现散热温差不大于22℃，冷却模块表面最高温度不大于62℃，均温性5.5℃；通过等流体分配设计计算实现多模块流体分配均匀性3.6%。
关键词：微小通道；冷却模块；流体分配；扰流柱
Fluid Distribution Uniformity Analysis Based on Micro-channel Cooling Module
Luo Ying
(The 723 Institute of CSSC,Yangzhou,Jiangsu 225001,China)
Abstract:Due to the heat concentration of the high heat flux chip,the chip temperature is high,and the liquid cooling module is used for enhanced heat transfer.For multiple cooling modules,using fluid distribution technology,the uniformity of fluid distribution of cooling modules is crucial.Flow resistance is a key characteristic of fluid connectors.In order to improve the heat transfer performance and fluid distribution uniformity of the micro-channel cooling module in liquid cooling of electronic devices,the fluid heat transfer simulation method is used to evaluate and optimize.According to the heat consumption and distribution of heat source,a rhomboidal turbulence column runner structure is designed to improve the heat transfer performance of cooling module.Based on the flow resistance characteristics of the cooling module,the flow channel of the fluid distributor is designed.The whole network is solved by CFD calculation,and the fluid distribution results of the micro-channel cooling module are obtained.The results show that the coolant flow rate is calculated by the temperature difference between the inlet and outlet of 5℃.The micro-flow channel in the form of lozenge-shaped turbulence column can solve the heat dissipation problem of the chip with a heat flux density of 140 W/cm2.The heat dissipation temperature difference is less than 22℃,the maximum temperature of the cooling module surface is less than 62℃,and the temperature uniformity is 5.5℃.The distribution uniformity of multi-module fluid is 3.6%through the calculation of equal fluid distribution.
Key words:microchannel;cold plate;fluid distribution;spoiler column
0引言
随着电子设备的集成度和功率增高，芯片等电子器件的热流密度也越来越高，散热已成为影响其性能和寿命的一大难题。对于大功耗电子设备，风冷已无法满足散热需求，需要采用液冷进行强化散热，通过更高传热效率的强迫液冷带走热量[1-3]。在雷达阵面等设备冷却方式中，一般采用集成冷却模块式间接液冷，基于模块化的设计理念，采用流体分配器+液冷模块的组合模式进行散热，流体分配器为冷却模块进行流量分配，保证各个冷却模块的流量需求[4-5]。
流体分配器一方面作为结构支撑件，作为冷却模块、电子器件的载体框架，内部通液，合理设计流道，流体分配器流道与冷却模块流道连通。各个通道的流阻匹配，保证多个液体冷却模块流量分配的均匀性，目前对换热器领域的流体分配的研究较多，基于集成模块的流体分配目前较少涉及[6-8]。
液体冷却模块也称冷板，为电子器件的载体，电子器件安装在冷却模块表面，电子器件的热量传递到冷板表面，再通过模块内部液体对流换热带走电子器件的热量，使电子器件保持在稳定的工作温度范围内[9-11]。
冷却模块内部流道结构形式、参数对换热性能和流阻性能影响较大，如何优化冷却模块流道，使其具有高传热效率和低流阻是研究的重要方向。国内外较多学者研究了冷却模块内部流道形式、结构参数等传热能力的影响[12-13]。流体分配方面，研究较多的为分配结构的优化设计，对模块流量分配的均匀性研究的不是很多[14-17]。
本文通过CFD流热耦合计算对冷却模块及流体分配器流道结构进行优化设计。对于冷却模块，采用串并联、微小通道与常规通道相结合的形式，采用菱形扰流柱的结构形式，进行换热性能分析。对于流体分配器，基于冷却模块流阻匹配计算，采用静压腔设计结构，对流体分配均匀性进行仿真分析，保证各冷却模块的流量需求。
1模型建立
1.1几何模型
1.1.1冷却模块模型
冷却模块是电子器件的载体，对冷却模块流道结构进行优化计算，满足电子器件的散热需求[18-19]。图1~2所示为某冷却模块的电子器件热分布图，冷却模块正反两面均分布电子器件。冷却模块三维如图3所示，冷却液从进液口进入冷却模块，在模块内部流道进行强迫液冷，再从出液口流出冷却模块，带走电子器件热耗。通过冷却模块流道设计优化，减少传热热阻，提高传热性能，降低电子器件的工作温度和均温性。
1.1.2流体分配模型
流体分配器用于提供一个支撑和安装的空间，用于冷却模块等安装、固定和防护[20-22]；某流体分配器，25个冷却模块安装在流体分配器上，流体分配器和冷却模块内部均设计有流道，内部流道相通，通过流体分配器实现等流体分配。流体分配器与冷却模块连接关系如图4所示。
某实例，流体分配器连接25块冷却模块冷却模块，总流量为137.5 L/min；单冷却模块供液流量大于或等于5.5 L/min，要求流体分配器内部流阻小于或等于0.2 MPa，总流阻小于或等于0.3 MPa。
1.2流道设计
1.2.1冷却模块流道
冷却模块具体热点分布及功耗大小如图5所示，正反面4列小体积的热源为高热流密度芯片，单个芯片热流密度达到140 W/cm2。冷却模块总热耗超3 400 W。根据电子器件布局和热耗大小进行流道设计，在高热流密度区采用菱形扰流柱微小流道结构形式。
图6所示为冷却模块流道，根据器件热耗及安装孔分布，设计冷却模块流道，采用常规流道与菱形扰流柱微小流道结合的方法，分区域、分类控制器件和冷板表面温升，并对流阻进行优化。
芯片贴装位置冷却模块厚为8 mm，流道深5 mm，两侧壁厚各1.5 mm，该壁厚可保障冷却模块长期使用而不出现腐蚀穿透现象。
1.2.2流体分配器流道
在冷却模块流道设计和流阻基础上，基于流动路程一致的原理，保证流体从流体分配器入口进入后经冷却模块再从分配器出口流出，各个模块的路程相同，对流体分配器进行流道设计，实现25个冷却模块的等流体分配，流体分配器的流道如图7所示。
2冷却模块仿真计算与分析
2.1仿真模型
以冷却模块液体入口、出口为界面，包含的内部流体空间为冷却模块流体域，图8所示为冷却模块流体域，设定冷却模块的入口流量和环境开口压力。
2.2仿真边界条件
设定冷却模块进口流量为5.5 L/min，流体介质为65#冷却液，冷却液进口温度为35℃。
冷却模块进出口采用通径8 mm的流体连接器，此时流经连接器的平均流速为1.82 m/s，远小于5 m/s的许用流速，满足要求。
按图5所示冷却模块热点分布对冷却模块附加热量边界条件，按体热源设置。
2.3冷却模块仿真结果
2.3.1传热特性
经流体流固耦合仿真计算，得到冷却模块正面温度分布云图如图9所示，反面温度分布云图如图10所示，从冷却模块表面温度云图可知：组件芯片下方冷板表面温度最大值为60.86℃，最小值为55.38℃，各个热点的均温性为5.5℃。
2.3.2流动特性
流体在集成冷却模块内部流动的轨迹及流动速度对流阻影响较大。图11所示为冷却模块的流动特性图，从图中可以看出在流体流动过程中没有大的流阻波动，沿程阻力损失较小，可以看出冷却模块流体入口处静压为265 005 Pa，出口处静压为101 325 Pa，整个冷却模块内部流动阻力为165 000 Pa。
3流体分配仿真计算与分析
3.1仿真模型
流体分配器为冷却模块的载体，冷却模块对插在流体分配器上，作用为实现多路冷却模块的流量分配需求。流体分配器与冷却模块内部流道相通，流体分配器与冷却模块连接后形成的流体域如图12所示。
3.2仿真边界条件
流体分配器实现25个集成模块的等流体分配。对流体分配器与冷却模块的内部流体域进行非结构化网格划分。
设定流体分配器进口流量为137.5 L/min(单块冷却模块5.5 L/min)，出口为压力出口，设置湍流流动。流体介质为65#冷却液，冷却液的进口温度为35℃，对应35℃时冷却液物性参数。
3.3流体分配仿真结果
3.3.1匀流特性
流体分配均匀性是一个重要特性指标，基于设计的集成冷却模块流阻和流阻匹配原则，结合流体分配器模型进行流体分配器流道设计，最终进行流体仿真计算[23]。按如图4所示的流体分配器与冷却模块连接关系，从左往右将集成模块编号，依次为1~25号，经流体流动仿真计算，得到各个冷却模块的流体分配结果如表1所示。
可以看出，各个冷却模块的流量在5.3~5.7 L/min之间，最大流量5.7 L/min、最小流量为5.3 L/min。对照表1中流量分配结果数据绘制如图13所示的流体分配器冷却模块流量分布图，各个冷却模块实际流量与理论流量均值5.5 L/min，最大相差0.2 L/min，误差为3.6%，满足技术要求。
3.3.2流阻特性
冷却液在流体分配器与集成冷却模块内流动速度迹线如图14所示，可以看出各个模块流动较均匀，流速波动不大，流速在1~4 m/s之间。
图15所示为流体分配器流动压力迹线，可以看出流体分配器及冷却模块内部流动阻力损失较小。
图16所示为流体分配器进出口压力图，从图中可知，冷却模块内部总流阻为0.24 MPa，满足技术要求。
4结束语
针对高热流密度电子器件冷却模块散热及多模块流体分配均匀性问题，基于流体流热耦合仿真计算方法，对冷却模块、流体分配器模块内部流道结构形式、尺寸参数进行优化设计，并对冷却模块换热性能及流体分配器匀流性能进行分析，得出以下结论。
(1)冷却模块采用菱形扰流柱结构形式的微小流道，换热能力强，可有效解决热流密度140 W/cm2芯片散热问题，在冷却液进出口温差5℃流量下，实现散热温差不大于22℃，冷却模块表面最高温度不大于62℃，电子器件均温性5.5℃。
(2)基于微小通道冷却模块进行流体分配器流道设计，各冷却模块流体通路流阻匹配，进行流体分配计算。流体分配均匀性效果好，可实现多模块流体分配均匀性在3.6%以内。
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