CN108256272B - 一种针对液冷散热器的s型流道布局优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，确定集成电路板的参数；对集成电路板分区并给定各区域热交换系数取值范围；建立热交换系数计算模型并求解；确定液冷散热器的冷板参数；确定S型流道的基本布局及相应流道长度；构造S型流道的几何函数；建立S型流道布局优化模型并求解；对流道几何函数微调后输出最优布局方案。本发明能够根据待散热集成电路板参数，计算电路板散热面各区域所需的最优热交换系数，设计出与之相应的S型流道布局，从而达到同等流道长度下的最优散热效果。与现有技术相比，本发明具有高效、易用的特点。

Description

一种针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法

技术领域

本发明属于电子设备结构设计领域，具体涉及一种针对液冷散热器的S流道布局优化设计方法。

背景技术

随着电子设备器件集成度和功耗密度日趋提升，散热设计成为电子设备结构设计中非常重要的环节，且面临越来越大的挑战。液冷散热器因其冷却效率高，已被电子设备散热设计所广泛采用；实践证明，对于高功耗密度的电子设备，液冷散热较强迫风冷散热具有更好效果。针对液冷散热器，现已发展出各种形式的流道，其中S型流道因其结构简单、性能可靠，已经成为最常见的流道形式之一。

传统流道布局设计主要依靠工程经验，由于缺乏必要的理论依据，难以实现最优设计；当面临集成电路板功耗密度高、功耗器件分布不均匀、热设计要求高等复杂情况时，传统方法常常难以满足设计要求。较为先进的设计方法是将数值仿真技术与优化理论有机结合，通过构建基于数值仿真的优化模型以搜索流道最优布局方案。然而，此类方法的研究尚处于初步阶段，仍存在一系列技术难点亟需解决。首先，由于优化模型中的目标函数或约束基于数值仿真技术，优化过程反复调用耗时仿真模型可能导致严重的效率问题和收敛保障；其次，此类方法需要基于优化理论构建数学模型，在工程实现上颇具难度，对于一般技术人员难以适用。

因此，针对液冷散热器开发高效且易于实施的S型流道布局优化设计方法，对于复杂情况下的电子设备散热设计具有非常重要的工程意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，该方法根据待散热集成电路板参数，计算电路板散热面各区域所需的最优热交换系数，设计出与之相应的S型流道布局，从而达到同等流道长度下的最优散热效果。

本发明是通过下述技术方案来实现的：

一种针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，该方法包括以下步骤：

1）确定集成电路板的参数；

2）对集成电路板分区并给定各区域热交换系数取值范围；

3）建立热交换系数计算模型并求解；

4）确定液冷散热器的冷板参数；

5）确定S型流道的基本布局及相应流道长度；

6）构造S型流道的几何函数；

7）建立S型流道布局优化模型并求解；

8）对流道几何函数微调后输出最优布局方案。

进一步地，所述步骤1）中集成电路板的参数包括：电路板及各功率器件的结构尺寸、位置坐标、材料、发热功率。

进一步地，所述步骤2）中对集成电路板分区是指：将集成电路板与液冷散热器接触的散热面划分为n个等面积区域；各个区域的热交换系数可写成一向量C =(C ₁,C ₂,…,C _n )；根据已有信息及经验，确定C的取值范围：

C _i ∈[C ^L ,C ^U ],i=1,2,…,n。

进一步地，所述步骤3）中热交换系数计算模型为一优化问题，包括系数设计变量、散热目标函数和系数取值约束；系数设计变量为热交换系数向量C；系数取值约束为C的取值范围；散热目标函数为T(C)基于有限元模型得到，即对C设置某一特定值并结合步骤一中集成电路板的参数，仿真得到的集成电路板上最高温度值；由此，热交换系数计算模型可写成一标准优化问题：

min _C T(C)

s.t. C ^L ≤C _i ≤C ^U , i=1,2,…,n

对上式求解得到最优解C ^* ；对C ^* 进行归一化处理，即P _i ^* = C _i ^* /∑C _i , i=1,2,…,n。

进一步地，所述步骤4）中液冷散热器的冷板参数包括：冷板的结构尺寸，流道入口的位置和流道出口的位置。

进一步地，所述步骤5）中液冷散热器S型流道的基本布局的设置方法为：根据液冷散热器参数确定一个矩形待设计区域（L _D ×W _D ），在待设计区域内设置均匀排布的S型流道，并计算相应流道长度L ₀。

进一步地，所述步骤6）中S型流道的几何函数为一基于三角函数的分段函数，，可写成：

Y = 0.5×W _D ×cos(ω _i ×(X - (i-1)×L _D /n)), (i-1)×L _D /n<X< i×L _D /n, i=1,2,…,n

对几何函数进行曲线积分，可分别得到所述步骤2）中各区域中的流道长度L _i , i=1,2,…,n；对L _i 进行归一化处理，即P _i = L _i ^* /∑L _i , i=1,2,…,n。

进一步地，所述步骤7）中S型流道布局优化模型包括：布局设计变量、布局约束和 布局目标函数；布局设计变量为步骤六中所述ω=(ω ₁ ,ω ₂ ,…,ω _n )；存在2个布局约束，约 束1为流道总长不大于采用基本布局时的流道长度约束：∑L _i =L ₀，约束2为

的取值约束：ω ^L ≤ω _i ≤ω ^U , i=1,2,…,n，根据设计经验给定ω ^L =n×π/L _D ，ω ^U =10×n×π/L _D ；布局目 标函数为f =‖P _i -P _i ^*‖, i=1,2,…,n，表示各段流道长度比与相应区域热交换系数比之间的 差异；S型流道布局优化模型可写成一标准优化问题：

min _ω f =‖P _i (ω)-P _i ^*‖

s.t. ∑L _i (ω _i ) =L ₀

ω ^L ≤ω _i ≤ω ^U , i=1,2,…,n

求解上式得到最优解ω ^*，即流道最优几何函数：

Y = 0.5×W _D ×cos(ω _i ^*×(X - (i-1)×L _D /n)), (i-1)×L _D /n<X< i×L _D /n, i=1,2,…,n

进一步地，所述步骤8）中微调流道最优几何函数是指：将ω _i ^*非常接近的分段函数合并，并使流道的几何函数连续且处处可导；微调后的结果即为流道最优布局方案。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1）本发明所提方法基于集成电路板上所有功耗器件的发热情况，通过构建S型流道布局几何函数，实现流道布局的最优化设计；与基于工程经验的传统方法，得到流道设计方案可以实现更为良好的散热效果。

2）本发明所提方法调用的仿真模型仅包含电路板部分，而无需考虑液冷冷板；并且，本发明通过基于电路板分区计算最优热交换系数，降低了优化模型的维度，从而减少了仿真模型的调用次数；故，本发明与现有基于有限元仿真的优化方法相比，在求解效率和收敛性方面具有明显优势；

3）本发明所提方法中构建的数学模型均为标准优化问题，易于编程实现且可调用现有商业数学软件进行求解，从而较大程度上降低了对技术人员的专业要求，具有良好的工程实用性。

附图说明

图1是本发明所提针对液冷散热器的S型流道布局优化设计流程图

图2是集成电路板示意图

图3是液冷散热器的S型流道基本布局图

图4是S型流道最优几何函数图

图5是S型流道最优布局图

具体实施方式

下面集合附图及实施例对本发明做进一步说明。

参照图1所示，本发明涉及的一种针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，步骤如下：

步骤一，确定集成电路板的参数

参照图2所示，根据已有信息，确定集成电路板的参数，包括电路板100及功率器件101~116的结构尺寸、位置坐标、材料、发热功率，如表1所列。

表1 集成电路板的参数

步骤二，对集成电路板分区并给定各区域热交换系数取值范围

参照图2所示，对集成电路板与液冷散热器接触的散热面进行分区，得到n=6个等面积区域：201~206；各个区域的热交换系数可写成一向量C =(C ₁,C ₂,…,C ₆)；根据已有信息及经验，确定C的取值范围：C _i ∈[C ^L ,C ^U ],i=1,2,…,6，其中C ^L =0.01mW/mm²/K，C ^U =1.00mW/mm²/K。

步骤三，建立热交换系数计算模型并求解

待构建的热交换系数计算模型为一优化问题，包括系数设计变量、散热目标函数和系数取值约束；系数设计变量为步骤二中所述热交换系数向量C；系数取值约束为C的取值范围；散热目标函数为T(C)表示：对C设置某一特定值并结合步骤一中集成电路板的参数，得到的集成电路板上最高温度值；此过程可通过商业有限元分析软件ABAQUS建立数值仿真模型求解得到；由此，热交换系数计算模型可写成一标准优化问题：

min _C T(C)

s.t. C ^L ≤C _i ≤C ^U , i=1,2,…,6

通过商业数学软件MATLAB对上式编程并求解：C ^* =(0.520, 0.176, 0.393,0.639, 0.635, 0.637)；对C ^* 进行归一化处理，即P _i ^* = C _i ^* /∑C _i , i=1,2,…,6。

步骤四，确定液冷散热器的冷板参数

参照图3所示，根据设计要求，确定液冷散热器的冷板参数，包括：冷板300的结构尺寸L×W（380×160），流道入口301的位置（W ₁=11mm）和流道出口302的位置（W ₂=141mm）。

步骤五，确定液冷散热器S型流道的基本布局及相应流道长度

参照图3所示，根据步骤四中液冷散热器的参数，设置液冷散热器S型流道的基本布局；设置流道的待设计区域303为一矩形区域L _D ×W _D （360×112mm）；计算采用该基本布局下区域303内流道的初始长度：L ₀=2400mm。

步骤六，构造S型流道的几何函数

参照图3所示，根据步骤二中对集成电路板的散热面分区，对待设计区域303的S型流道构建几何函数；该几何函数为一基于三角函数的分段函数，起点304为区域303的左上角端点，终点305为区域303右侧边中点，可写成：

Y = 0.5×W _D ×cos(ω _i ×(X - (i-1)×L _D /n)), (i-1)×L _D /n<X< i×L _D /n, i=1,2,…,6

对几何函数进行曲线积分，可分别得到区域201~206中的流道长度L _i , i=1,2,…,6；对L _i 进行归一化处理，即P _i = L _i ^* /∑L _i , i=1,2,…,6。

步骤七，建立S型流道布局优化模型并求解

S型流道布局优化模型包括：布局设计变量、布局约束和布局目标函数；布局设计变量为步骤六中所述ω=(ω ₁ ,ω ₂ ,…,ω ₆ )；存在2个布局约束，约束1为流道总长不大于采用基本布局时的流道长度约束：∑L _i =L ₀，约束2为ω _i 的取值约束：ω ^L ≤ω _i ≤ω ^U , i=1,2,…,6，根据设计经验给定ω ^L =n×π/L _D ，ω ^U =10×n×π/L _D ；布局目标函数为f =‖P _i -P _i ^*‖, i=1,2,…,6，表示各段流道长度比与相应区域热交换系数比之间的差异；由此，S型流道布局优化模型可写成：

min _ω f =‖P _i (ω)-P _i ^*‖

s.t. ∑L _i (ω _i ) =L ₀

ω ^L ≤ω _i ≤ω ^U , i=1,2,…,6

通过商业数学软件MATLAB对上式编程并求解得到：ω ^*=(0.187,0.062, 0.138,0.234, 0.233, 0.234)，流道最优几何函数：

Y = 0.5×W _D ×cos(ω _i ^*×(X - (i-1)×L _D /n)), (i-1)×L _D /n<X< i×L _D /n, i=1,2,…,6

对上式进行绘图可得流道最优几何函数图，如图4所示。

步骤八，对流道几何函数微调后输出最优布局方案

微调步骤七得到的流道最优几何函数，将

非常接近的分段函数合并，并使流道 的几何函数连续且处处可导，即得到流道最优布局方案：

Y = 56×cos(0.187×X), 当0<X≤67.3时，

Y = 56×cos(0.052×(X-67.3)), 当67.3<X≤128.2时，

Y = 56×cos(0.138×(X-128.2)+3.145), 当128.2<X≤185.3时，

Y = 56×cos(0.234×(X-185.3)+4.712), 当185.3<X≤360时。

对上式进行绘图可得流道最优布局图，如图5所示。

通过对基本布局方案和最优布局方案进行数值仿真，本发明的有益效果可以得到进一步说明：

根据步骤一所述集成电路板参数，并分别结合步骤五所述基本布局方案、步骤八所述最优布局方案，采用商业有限元分析软件ABAQUS建立相应的数值仿真模型；并且对2个数值仿真模型设置相同建模参数，包括：冷板材料（铝合金AL6061）、冷却液材料（水H₂O）、冷却液入口速度（V =0.5m/s）、冷却液入口温度（T ₀=20℃）、流道横截面尺寸W _S ×H _S （8×8mm）。读取仿真结果，可得两种布局方案下功率器件的温度，如表2所列。

表2 两种布局方案下功率器件的温度

由于本发明步骤七中建立S型流道布局优化模型时引入了约束1，使得最优布局方案具有和基本布局方案相同的流道长度。仿真结果表明，两种布局方案下最高温度均出现在功率器件111处，而最优布局方案得到的最高温度低于基本布局方案10%；由此表明，相比于根据经验设计的基本布局方案，本发明得到的最优布局方案在对集成电路板散热效果上具有明显优势。

另外，本发明所涉及的数值仿真仅需对集成电路板建模，相比现有技术需同时对集成电路板和液冷散热器建模，对工程人员仿真建模能力要求更低；本发明所涉及数学模型均为标准优化问题，便于采用一般数学软件编程实现并引入现有算法进行求解，对工程人员的编程计算能力要求低；由此，本发明所述方法具有良好的工程易用性。

Claims (4)

1.一种针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）确定集成电路板的参数；

2）对集成电路板分区并给定各区域热交换系数取值范围；

所述步骤2）中对集成电路板分区是指：将集成电路板与液冷散热器接触的散热面划分为n个等面积区域；各个区域的热交换系数可写成一向量C=(C₁,C₂,…,C_n)；并根据已有信息及经验，确定C的取值范围：C_i∈[C^L,C^U],i=1,2,…,n，；

3）建立热交换系数计算模型并求解；

所述热交换系数计算模型为一优化问题，包括：系数设计变量、散热目标函数和系数取值约束；系数设计变量为热交换系数向量C，系数取值约束为C的取值范围；散热目标函数T(C)基于有限元模型得到，即对C设置某一特定值并结合步骤1）中集成电路板的参数仿真得到的集成电路板上最高温度值，热交换系数计算模型可写成一标准优化问题：

min_CT(C)

s.t. C^L≤C_i≤C^U, i=1,2,…,n

对上式求解得到最优解C^*；对C^*进行归一化处理，即P_i ^*= C_i ^*/∑C_i , i=1,2,…,n；

4）确定液冷散热器的冷板参数；

5）确定S型流道的基本布局及相应流道长度；

6）构造S型流道的几何函数；

所述步骤6）中S型流道的几何函数为一基于三角函数的分段函数，可写成：

Y = 0.5×W_D×cos(ω_i×(X - (i-1)×L_D/n)), (i-1)×L_D/n＜X＜i×L_D/n, i=1,2,…,n；

其中，ω_i为布局设计变量；

对几何函数进行曲线积分，可分别得到所述步骤2）中各区域中的流道长度L_i, i=1,2,…,n；对L_i进行归一化处理，即P_i= L_i*/∑L_i ,i=1,2,…,n；

7）建立S型流道布局优化模型并求解；

所述步骤7）中S型流道布局优化模型包括：布局设计变量、布局约束和布局目标函数；布局设计变量为ω_i=(ω₁,ω₂,…,ω_n)；存在2个布局约束，约束1为流道总长等于采用基本布局时的流道长度约束：∑L_i =L₀，L_i表示所述n个等面积区域中第i个区域的流道长度，L₀表示所述均匀排布的S型流道长度；约束2为ω_i的取值约束：ω^L≤ω_i≤ω^U , i= 1,2,…,n；布局目标函数为f=‖P_i-P_i ^*‖, i=1,2,…,n，表示各段流道长度比与相应区域热交换系数比之间的差异；S型流道布局优化模型可写成一标准优化问题：

min_ωf =‖P_i(ω)-P_i*‖

s.t. ∑L_i(ω_i) =L₀

ω^L≤ω_i≤ω^U , i=1,2,…,n

求解上式得到最优解ω^*，即流道最优几何函数：

Y = 0.5×W_D×cos(ω_i ^*×(X - (i-1)×L_D/n)), (i-1)×L_D/n＜X＜i×L_D/n, i=1,2,…,n；

8）对流道几何函数微调后输出最优布局方案。

2.根据权利要求1所述的针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，其特征在于，所述步骤1）中集成电路板的参数包括：电路板及各功率器件的结构尺寸、位置坐标、材料、发热功率。

3.根据权利要求1所述的针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，其特征在于，所述步骤4）中液冷散热器的冷板参数包括：冷板的结构尺寸，流道入口的位置和流道出口的位置。

4.根据权利要求1所述的针对液冷散热器的S型流道布局优化设计方法，其特征在于，所述步骤5）中S型流道的基本布局的设置方法为：根据液冷散热器参数确定一个矩形待设计区域（L_D×W_D），在待设计区域内设置均匀排布的S型流道，并计算相应流道长度L₀。

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