CN112380652A - 一种冷却微通道的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冷却微通道的设计方法，属于电子产品散热技术领域。该设计方法，包括以下步骤：步骤1：根据热源尺寸选定微通道设计尺寸，根据热源功率确定冷却工质流量；步骤2：根据选定的微通道设计尺寸确立拓扑优化的设计域；步骤3：设计域内采用动量方程描述流体流动，采用能量方程描述固体和流体的温度分布；步骤4：利用目标函数验证优化的设计域内流体及固体的分布，完成微通道装置的流道的三维拓扑结构设计。本发明采用拓扑结构优化的方式来设计微通道的流动结构，该结构具有流动阻力小和传热热阻小的双重优势。

Description

一种冷却微通道的设计方法
技术领域
本发明涉及电子产品散热技术领域，更具体的说是涉及一种冷却微通道的设计方法。
背景技术
随着社会的发展，高功率电子产品越来越多，集成的芯片热流密度越来越高。已有研究表明电子芯片的温度每升高10℃，故障率会增加一倍，温度过高甚至可能引起内部损坏，造成安全事故。因此电子产品散热愈加重要。
微通道是一种重要的冷却方式，具有散热能力强、体积小、噪音小等优点。微通道的截面多为矩形和圆形等形状，但传统微通道存在通道压力损失较大、温度分布不均匀等缺点，传统微通道一般不能达到最优的冷却效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冷却微通道的设计方法，以期解决背景技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种冷却微通道的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：根据热源尺寸选定微通道设计尺寸，根据热源功率确定冷却工质流量；
步骤2：根据选定的微通道设计尺寸确立拓扑优化的设计域；
步骤3：设计域内采用动量方程描述流体流动，采用能量方程描述固体和流体的温度分布；
步骤4：利用目标函数验证优化的设计域内流体及固体的分布，完成微通道装置的流道的三维拓扑结构设计。
所述步骤2中：根据选定的微通道设计尺寸确立拓扑优化的设计域，包括：
(1)过滤设计域内设计变量；
(2)对设计域内相关参数进行插值。
所述过滤设计域内设计变量，包括：设计域内设计变量采用式1进行过滤：
Figure BDA0002777895410000021
其中r为过滤半径，
Figure BDA0002777895410000022
为过虑后的设计变量，γ为设计变量；
采用式2对过虑后的设计变量进一步过滤得到输出设计变量
Figure BDA0002777895410000023
Figure BDA0002777895410000024
其中，β和γβ分别为投影斜率和投影点。
所述对设计域内相关参数进行插值，包括：设计域内相关参数采用下式3进行插值：
Figure BDA0002777895410000025
αmin和αmax分别为反渗透率的最小值和最大值，其中，αmin取0，αmax取1×105，q为罚参数；
Figure BDA0002777895410000026
为输出设计变量，取值范围为0-1，0代表固体，1代表流体；
Figure BDA0002777895410000027
为有效导热系数，由下式4决定：
Figure BDA0002777895410000028
其中ks为固体导热系数，为kf流体导热系数，p为罚参数。
所述动量方程如下式5所示：
Figure BDA0002777895410000029
所述和能量方程如下式6表示：
Figure BDA00027778954100000210
其中，ρ为密度，u为速度场，p为压力，μ为流体动力粘度，α为多孔介质的反渗透率，cp为比热容，k为导热系数，T为温度。
所述利用目标函数验证优化的设计域内流体及固体的分布，完成微通道流道的三维拓扑结构设计，包括：优化设计目标函数考虑流动阻力和微通道热阻最小，如下式7所示：
Figure BDA0002777895410000031
其中ω1和ω2分别为
Figure BDA0002777895410000032
和
Figure BDA0002777895410000033
的权重，取值范围在0-1之间；
Figure BDA0002777895410000034
和
Figure BDA0002777895410000035
分别为归一化的流动耗散功和微通道热阻；
Figure BDA0002777895410000036
为微通道热阻最低时的流动耗散功，
Figure BDA0002777895410000037
为流动耗散功最小时的微通道热阻；
Figure BDA0002777895410000038
和
Figure BDA0002777895410000039
分别如下式8和9所示
Figure BDA00027778954100000310
Figure BDA00027778954100000311
其中Ω为设计域，Tave,source为热源平均温度，Tinlet为流体入口温度，Q为热源功率；
优化算法采用移动渐近线优化算法，通过上述算法获得设计域内流体及固体的分布，完成微通道流道的三维拓扑结构设计。
本发明的技术方案还包括将步骤4中得到的三维拓扑结构投影成二维平面，去除不规则边界，再将二维拉伸成三维拓扑结构。
进一步的，所述微通道设计域为矩形、圆形、椭圆形状。
进一步的，所述冷却工质包括去离子水、去离子水和乙二醇混合溶液、甲醇、丙酮中的一种。
进一步的，所述固体包括铝、铜、铁和PDMS中的一种。
进一步的，所述热源为芯片、激光器、LED等，热流密度范围为0-1000W/cm2。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明提供的设计方法能够提高微通道的换热能力，减小热阻，降低热源温度，同时降低流动阻力，减小功耗，效果远优于传统微通道。
附图说明
图1为利用本发明的一种冷却微通道的设计方法设计得到的微通道。
图2为一种普通微通道。
图3为压差随流量变化关系。
图4为温度随流量变化关系。
图5为温度随热流密度变化关系。
图6为温度随入口温度变化关系。
图7中7a、7b、7c为不同优化微通道流体域。
图8为利用本发明的一种冷却微通道的设计方法设计得的微通道的应用图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1:
一种冷却微通道的设计方法，包括以下步骤：
根据热源尺寸选定微通道设计尺寸，根据热源功率，确定冷却工质流量。根据选定的微通道设计尺寸确立拓扑优化的设计域，设计域内采用动量方程描述流体流动，采用能量方程描述固体和流体的温度分布。该设计域为三维几何结构。
动量方程和能量方程如下所示：
Figure BDA0002777895410000041
Figure BDA0002777895410000042
其中，ρ为密度，u为速度场，p为压力，μ为流体动力粘度，α为多孔介质的反渗透率，cp为比热容，k为导热系数，T为温度。
为了解决网格依赖问题，需要对设计变量进行过滤，设计域内设计变量γ采用下式进行过滤：
Figure BDA0002777895410000051
其中r为过滤半径，
Figure BDA0002777895410000052
为过虑后的设计变量。
为了减少流体于固体之间的灰色区域，采用下式进一步过滤
Figure BDA0002777895410000053
其中
Figure BDA0002777895410000054
为输出设计变量，β和γβ分别为投影斜率和投影点。
设计域内相关参数采用下式进行插值：
Figure BDA0002777895410000055
αmin和αmax分别为反渗透率的最小值和最大值，αmin一般取0，αmax一般取1×105，q为罚参数。
Figure BDA0002777895410000056
为输出设计变量，取值范围为0-1，0代表固体，1代表流体。
Figure BDA0002777895410000057
为有效导热系数，由下列方程式决定：
Figure BDA0002777895410000058
其中ks为固体导热系数，为kf流体导热系数，p为罚参数。
优化设计目标函数考虑流动阻力和微通道热阻最小，如下式所示
Figure BDA0002777895410000059
其中ω1和ω2分别为
Figure BDA00027778954100000510
和
Figure BDA00027778954100000511
的权重，取值范围在0-1之间。
Figure BDA00027778954100000512
和
Figure BDA00027778954100000513
分别为归一化的流动耗散功和微通道热阻。
Figure BDA00027778954100000514
为微通道热阻最低时的流动耗散功，
Figure BDA00027778954100000515
为流动耗散功最小时的微通道热阻。
Figure BDA00027778954100000516
和
Figure BDA00027778954100000517
分别如下式所示
Figure BDA00027778954100000518
Figure BDA00027778954100000519
其中Ω为设计域，Tave,source为热源平均温度，Tinlet为流体入口温度，Q为热源总功率。
通过上述算法获得设计域内流体及固体的分布，完成微通道流道的设计。
优化算法采用移动渐近线优化算法(MMA)，通过上述算法获得设计域内流体及固体的分布，完成微通道流道的三维拓扑结构设计。
考虑拓扑结构流固边界光滑性，可先将三维模型投影成二维平面，去除不规则边界，再将二维拉伸成三维拓扑结构。
所述的微通道设计域可以为矩形、圆形、椭圆等形状。所述的冷却工质包括去
具体参数入口流速为0.1m/s，微通道表面热流密度为7000W/m2，设计域长120mm，宽60mm。流体相关参数为kf＝0.61W/(m.K)，μ＝0.001Pa.s，ρf＝1000kg/m3，Cp,f＝4200J/(kg.K)，固体相关参数为ks＝237W/(m.K)，ρs＝2700kg/m3，Cp,s＝900J/(kg.K)，根据前述具体参数，利用本发明的拓扑优化方法获得如图1所示的优化微通道。同如图2所示的普通微通道相比较，压力最大可降低63Pa，最大温度可降低3℃，如图3、4、5、6所示。更换系数ω1和ω2的大小，可获得不同拓扑结构的微通道，不同的流体域如图7a、7b、7c所示。
图8是利用本发明的拓扑优化方法获得的微通道冷却热源装置示意图，在示意图中，微通道2紧贴热源1，两者之间一般涂敷有导热硅脂，并用螺钉固定。冷却工质从入口3进入，经过微通道后，从出口4流出，冷却工质一般包括去离子水、去离子水和乙二醇混合溶液、有机冷却工质、甲醇、丙酮等。固体结构可以为铝、铜、铁和PDMS等材料。热源可以为芯片、激光器和LED等。热流密度范围为0-1000W/cm2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据热源尺寸选定微通道设计尺寸，根据热源功率确定冷却工质流量；
步骤2：根据选定的微通道设计尺寸确立拓扑优化的设计域；
步骤3：设计域内采用动量方程描述流体流动，采用能量方程描述固体和流体的温度分布；
步骤4：利用目标函数验证优化的设计域内流体及固体的分布，完成微通道装置的流道的三维拓扑结构设计。
2.根据权利要求1所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述步骤2中：根据选定的微通道设计尺寸确立拓扑优化的设计域，包括：
(1)过滤设计域内设计变量；
(2)对设计域内相关参数进行插值。
3.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述过滤设计域内设计变量，包括：设计域内设计变量采用式1进行过滤：
Figure FDA0002777895400000011
其中r为过滤半径，
Figure FDA0002777895400000012
为过虑后的设计变量，γ为设计变量；
采用式2对过虑后的设计变量进一步过滤得到输出设计变量
Figure FDA0002777895400000013
Figure FDA0002777895400000014
其中，β和γβ分别为投影斜率和投影点。
4.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述对设计域内相关参数进行插值，包括：设计域内相关参数采用下式3进行插值：
Figure FDA0002777895400000015
αmin和αmax分别为反渗透率的最小值和最大值，其中，αmin取0，αmax取1×105，q为罚参数；
Figure FDA0002777895400000016
为输出设计变量，取值范围为0-1，0代表固体，1代表流体；
Figure FDA0002777895400000017
为有效导热系数，由下式4决定：
Figure FDA0002777895400000018
其中ks为固体导热系数，为kf流体导热系数，p为罚参数。
5.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述动量方程如下式5所示：
Figure FDA0002777895400000021
所述能量方程如下式6表示：
Figure FDA0002777895400000022
其中，ρ为密度，u为速度场，p为压力，μ为流体动力粘度，α为多孔介质的反渗透率，cp为比热容，k为导热系数，T为温度。
6.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述利用目标函数验证优化的设计域内流体及固体的分布，完成微通道流道的三维拓扑结构设计，包括：优化设计目标函数考虑流动阻力和微通道热阻最小，如下式7所示：
Figure FDA0002777895400000023
其中ω1和ω2分别为
Figure FDA0002777895400000024
和
Figure FDA0002777895400000025
的权重，取值范围在0-1之间；
Figure FDA0002777895400000026
和
Figure FDA0002777895400000027
Figure FDA0002777895400000028
分别为归一化的流动耗散功和微通道热阻；
Figure FDA0002777895400000029
为微通道热阻最低时的流动耗散功，
Figure FDA00027778954000000210
为流动耗散功最小时的微通道热阻；
Figure FDA00027778954000000211
和
Figure FDA00027778954000000212
分别如下式8和9所示
Figure FDA00027778954000000213
Figure FDA00027778954000000214
其中Ω为设计域，Tave,source为热源平均温度，Tinlet为流体入口温度，Q为热源功率；
优化算法采用移动渐近线优化算法，通过上述算法获得设计域内流体及固体的分布，完成微通道流道的三维拓扑结构设计。
7.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，还包括将步骤4中得到的三维拓扑结构投影成二维平面，去除不规则边界，再将二维拉伸成三维拓扑结构。
8.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述微通道设计域为矩形、圆形、椭圆形状。
9.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述冷却工质包括去离子水、去离子水和乙二醇混合溶液、甲醇、丙酮中的一种；所述固体包括铝、铜、铁和PDMS中的一种。
10.根据权利要求2所述的一种冷却微通道的设计方法，其特征在于，所述热源为芯片、激光器、LED，热流密度范围为0-1000W/cm2。
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