液冷机箱-架热性能仿真分析

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1、液冷机箱/架热性能仿真分析通过对液冷机箱/架内模块温度场的仿真分析，研究了不同环境温度、不同冷却液入口温度以及不同模块侧壁壁厚的情况下模块内温度分布，得出环境温度对液冷机箱/架散热能力影响较小，但随着功耗的增加温差有所上升；器件温度变化与冷却液温度变化基本一致。增加模块传导壁厚有助于降低模块器件温度，但随着厚度的增加改善的效果越来越不明显，功耗越高增加壁厚的改善效果越明显。【关键词】液冷机箱热仿真温度场1引言随着微电子技术的发展，电子器件集成度越来越髙，芯片特征尺寸、芯片面积不断减小，但芯片的功耗不断增加,相应芯片热流密度迅速上升;另一方面

2、，计算机的集成度也越来越高，现代飞机采用LRM结构，在一台计算机内集成更多的处理模块，而模块内部集成多个处理器，整机功耗大幅度增加。在考虑到成本等因素的情况下，军用计算机越来越多得采用工业档器件，而研究表明，超过55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的，因此，电子设备结构设计热可靠性设计具有举足轻重的作用。由于液体冷却较空气冷却换热效率高出100〜2000倍，因此液冷对电子器件的热管理具有得天独厚的优势。本文以液冷机箱/架为平台，以ASSAC模块结构为载体，对液冷机箱的散热性能进行了仿真，并对仿真结果进行分析，为后续设计工作提供指导。2

3、液冷机箱/架模型液体机箱简化模型如图1所示，其中上、下侧板为液冷板，内部铳有液冷通道，进出液口位于机箱侧面。机箱内部内置传导模块，传导电子模块主要包括结构件、两块PCB、锁紧条、导热垫等，仿真简化模型如图2所示。液冷机箱/架、模块以及模块内所用导热衬垫材料物理特性如表1所示。3不同工况热仿真分析3.1环境温度对模块温度影响对比当整模块功耗分别为80W、160W时，不同环境温度对模块器件温度的影响。按VITA47标准中108.9kg/kW•h提供冷却液流量，冷却液供液温度为25°Co选择常温环境2(TC及高温环境7CTC进行热仿真分析，模块结

4、构件壁厚为1.2mm。模块在80W时分析结果见表2,模块在160W时分析结果见表3。模块在80W时仿真分析云图见图3o从模块的仿真结果来看，当环境温度分别为2(TC和70°C时，80W模块上各器件的温差不超过5°C,160W模块上各器件温差不超过8°CO说明环境温度对液冷机箱/架有一定影响，模块功率增大时模块对外辐射换热增强，温差会有所升3.2冷却液温度对模块温度的影响对比冷却液温度的改变对模块器件温度的影响。在室温环境下，机箱/架供液流量和内部模块壁厚不变的情况下，选取冷却液温度在i(rc、20°c.3(rc进行仿真分析，模块在80W的仿

5、真结果见图4,模块在160W的仿真结果见表5,模块内监测点温度随供液温度变化见图5：由以上仿真可以看出，冷却液温度对模块内器件温度有明显的影响。器件温升与液冷机箱/架入口冷却液温升基本相当。当冷却液温度每增加10°C,相应模块上器件温度也基本上增加i(rc左右。因此对于液冷机箱/架，由于具有较高的换热效率，模块内温度随热沉冷却液温度的变化基本为线性变化。3.3模块壁厚对温度的影响在室温环境下分别仿真模块结构件厚度在1.2mm、2mm、4mm情况下对器件温度的影响，冷却液温度均为30°C,冷却液流量按标准流量提供。模块在80W的仿真结果见表6

6、,模块在160W的仿真结果见表7：由仿真分析可以看出模块壁厚由1.2mm增加到2mm时，80W模块边缘器件温度降低3£左右，中心部器件温度降低6.6°C左右，160W模块边缘器件温度降低左右，中心部器件温度降低121左右；模块壁厚由2mm增加到4mm时，80W模块边缘器件温度降低1°C左右，中心部器件温度降低3°C左右；160W模块边缘器件温度降低2T左右，中心部器件温度降低左右。因此，改变模块传导壁厚有助于降低模块器件温度，随着厚度的增加改善的效果越来越不明显，功耗越高增加壁厚的改善效果越明显。4结论通过对液冷机箱/架在不同环境温度，不同

7、冷却液供液温度及不同模块璧厚下的热仿真分析，结果表明：环境温度对液冷机箱/架影响较小，但随着模块整体功率增大时模块对外辐射换热增强，温差会有所升高。冷却液入口温度对模块器件温度有着直接影响，器件温度与冷却液温度变化基本一致。增加模块传导壁厚有助于降低模块器件温度，但随着厚度的增加改善的效果越来越不明显，功耗越高增加壁厚的改善效果越明显。参考文献[1]M.Janicki,A.Napieralski,Modellingelectroniccircuitradiationcoolingusinganalyticalthermalmodel,Mic

8、roelectronicsJournal,2000,31：781-785.[1]徐超，何雅玲，杨卫卫，齐永强.现代电子器件冷却方法研究动态[J].制冷与空调，2003,03：10