[發明專利]一種基于拓撲優化的冷板流道設計方法

有效

• 申請號: 201710230212.2
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN107122527B
• 公開（公告）日: 2019-08-30
• 發明（設計）人: 錢思浩;王偉;葛潮流;婁順喜;段寶巖;王從思;苗恩銘;黃進;保宏;李鵬
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 姚詠華

技術領域

本發明屬于電子設備領域，具體涉及基于拓撲優化的電子設備散熱冷板流道設計方法，可用于指導高功率電子設備散熱的冷板設計。

背景技術

隨著電子和微電子技術的飛速發展，電子設備的尺寸越來越小，系統組裝密度越來越高，從而導致了電子設備的熱流密度越來越大。高熱流密度將對電子設備產生一系列的影響，例如在固態雷達發射機中，功率晶體管的結溫每增加10℃，其可靠性就會下降60％；美軍整體計劃分析報告中指出，電子設備的失效55％是由溫度引起的，另外“10℃法則”也指出，半導體器件的溫度每升高10℃，其可靠性就會降低50％。因此，對高熱流密度電子設備進行高效的散熱，是保證電子設備正常工作的基礎，也是提高其可靠性的重要途徑。

液冷冷板由于其結構簡單、冷卻效率高等特點，在高熱流密度電子設備的冷卻中得到了廣泛的應用。常見的冷板有S形流道冷板、Y形流道冷板和Z形流道冷板等，冷板的流道形式一般都是依靠經驗來進行設計。然而這樣的設計方式無法全面考慮流道占冷板總體積的合理性，對于熱源呈現復雜布局的情況也無法給出高效、合理的流道布局。

發明內容

為解決現有技術中存在的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種基于拓撲優化技術的冷板流道設計方法，該方法能夠合理考慮管道占冷板體積比重并實現冷板高效散熱、改善溫度分布的均勻性，對指導電子設備的冷板設計有重要意義。

本發明是通過下述技術方案來實現的。

一種基于拓撲優化的冷板流道設計方法，包括如下步驟：

(1)根據電子設備的裝配圖，確定其中功率器件的表面熱流密度Q和冷板的外框尺寸參數；

(2)根據電子設備所采用的冷卻泵，確定冷板入口的獨立參數和冷卻液熱屬性參數；

(3)根據冷板所要達到的目標以及功率器件參數、冷板外框尺寸參數以及冷板入口的獨立參數，建立冷板拓撲優化模型，并確定熱源的幾何中心位置、發熱面積和功率密度；

(4)根據拓撲優化模型，進行分析求解，獲得冷板流道的拓撲形狀；

(5)根據拓撲優化所得的冷板流道拓撲形式，確定流道幾何參數，建立冷板的三維幾何模型；

(6)根據冷板的三維幾何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的邊界條件；

(7)根據冷板的有限元模型以及冷板入口的獨立參數，采用CFX軟件分析計算冷板表面的溫度分布；

(8)根據冷板表面的溫度分布，計算溫度分布均方根值RMS_T，判斷是否滿足所需要求，若滿足，則得到冷板設計方案；否則修改流道幾何參數，重復(4)到(8)，直至滿足要求。

進一步，所述冷板的外框尺寸參數包括寬W、長L以及高H。

進一步，所述步驟(2)中，冷板入口的獨立參數包括入口速度v和入口溫度T₀，冷卻液熱屬性參數包括熱傳導率k_f、定壓比熱容C_p和密度ρ。

進一步，建立冷板拓撲優化模型，包括：

(3a)根據冷板設計目標，建立目標函數，此處以流體流動最小耗散功和表面溫度均方根值最小為目標函數；

(3b)根據步驟(3a)建立的目標函數，建立拓撲優化數學模型；

(3c)根據功率器件的尺寸、位置和發熱功率，確定熱源的幾何中心位置、發熱面積和功率密度，其中發熱面積取功率器件與冷板的接觸面積，一般為功率器件的底面積，功率密度為器件功率與接觸面積的比值，其計算公式如下：

其中，Q為功率密度，P_power為器件功率，A_contact為功率器件與冷板的接觸面積。

(3d)根據熱源的特性參數，冷板的尺寸參數以及冷卻系統的特性參數，建立優化域的幾何模型并設置相應的邊界條件。

進一步，根據拓撲優化模型，獲得冷板流道的拓撲形狀，包括：

(4a)根據步驟(3)所建立的拓撲優化模型，進行網格剖分；

(4b)選取優化算法，這里選取移動漸進算法MMA，設置最大迭代步數為500，設置收斂精度為1E-4。

進一步，網格剖分可以用四邊形網格，也可以采用三角形網格，局部曲率大的地方還需要進行網格細化。

進一步，所述步驟(5)中，確定流道幾何參數，建立冷板的幾何模型，包括：

(5a)根據步驟(4)所得的結果，對結果進行濾波處理，并輸出，濾波處理；