某微通道液冷板的性能分析與優(yōu)化

李健，蔣宏邦，王輝，馬雷

（常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

1 引言

隨著電路的復(fù)雜性和集成度越來越高，高熱流密度零件設(shè)備的廣泛使用。傳統(tǒng)的風(fēng)冷冷卻已經(jīng)無法滿足高功耗電子元器件的散熱需求，當(dāng)熱流密度超過5W/cm2時(shí)，我們一般就會(huì)采取強(qiáng)迫液冷散熱方式[1]。因此擁有優(yōu)良散熱性能的液冷板散熱技術(shù)被廣泛的運(yùn)用到高功率的電子器件的散熱當(dāng)中[2]。如何通過對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)強(qiáng)化其內(nèi)部傳熱，提高單位體積傳熱效率已成為近年來研究的熱點(diǎn)[3]。

人們通常在液冷板下方添加翅柱肋的方法來解決局部溫度過高的問題，較好的翅柱肋片的布局應(yīng)當(dāng)保證在較低的流量和流阻下?lián)碛休^高的換熱效率。文獻(xiàn)[4]通過仿真模擬和實(shí)驗(yàn)分析，研究了不同尺寸的半圓型微通道冷板在相同流量下的流阻和換熱表現(xiàn)，總結(jié)出了一種可靠的流道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]將分流片放置于S型流道的內(nèi)部，這樣能夠使冷卻液與分流片充分接觸，帶走更多熱量。文獻(xiàn)[6]分別設(shè)計(jì)出Y型和T型兩種流道結(jié)構(gòu)，通過不斷調(diào)整流道的分指角和雷若數(shù)來探究其對(duì)壓降的影響。文獻(xiàn)[7]利用了微細(xì)銑削與金屬擴(kuò)散焊等先進(jìn)的加工工藝，基于各樣件的實(shí)際加工后情況，包括加工尺度、尺寸精度、深寬比、表面粗糙度、堵塞情況、密封性、加工一致性等方面，對(duì)各工藝方案的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[8]通過數(shù)值模擬和正交實(shí)驗(yàn)研究微通道冷卻液沸騰相變時(shí)，冷板的散熱規(guī)律。文獻(xiàn)[9?10]利用仿真軟件和實(shí)驗(yàn)，研究總結(jié)得到常規(guī)光滑直微通道是散熱性能遜于波浪形微通道散熱器。文獻(xiàn)[11]將銅箔內(nèi)嵌于微槽道中，使散熱器在同樣的換熱效率下降低了流阻。

由此可見，冷板流道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)冷板散熱性能有著重要影響，為了進(jìn)一步探究液冷板內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其散熱性能的影響，在常規(guī)液冷板基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了三種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用icepak仿真軟件對(duì)其流阻和散熱性能進(jìn)行模擬分析，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2 液冷板計(jì)算模型

某艦載電子設(shè)備采用液冷板散熱方式，為了減少仿真網(wǎng)格數(shù)，提高仿真精度，其簡(jiǎn)化模型，如圖1 所示。冷板的材質(zhì)選用6061鋁合金，外形尺寸為（150×90×9）mm，流道的進(jìn)出口截面尺寸為（8×4）mm。冷板上下兩面各有5塊（共10塊）對(duì)稱陣列排布的電子功放模塊（模擬熱源）緊貼冷板表面，每個(gè)熱源的發(fā)熱功率為27W，尺寸為（8×8×2）mm。冷板的工作要求為：在40℃的環(huán)境溫度中，冷板表面的最高溫度不超過60℃，熱源之間的溫差不超過3℃。

圖1 液冷板模型Fig.1 The Model of Liquid?Cooling Plate

3 仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 常規(guī)翅柱肋液冷板

常規(guī)翅柱肋冷板是在流道內(nèi)添加矩形翅柱肋，為了加強(qiáng)換熱效率，同時(shí)又考慮到加工難易程度[12]，肋片的厚度設(shè)為1mm，高度為4mm，肋片間距（流道寬度）設(shè)置為0.6mm，肋片流道處的截面尺寸為（12×4）mm，如圖2所示。并將翅柱肋設(shè)置在熱源的正下方的流道中。翅柱肋排布，如圖3所示。

圖2 矩形翅柱肋截面Fig.2 Rectangular Fin Column Rib Section

圖3 冷板流道截面圖Fig.3 Cross Section of Cold Plate Runner

3.2 仿真分析

本課題采用計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件ICEPAK。先將三維幾何體在DM模塊中簡(jiǎn)化后導(dǎo)入到ICEPAK中，設(shè)置仿真的邊界條件：每塊熱源功率設(shè)置為27W，總共10×27=270W，設(shè)置兩個(gè)進(jìn)出水口opening，供液溫度設(shè)為35℃，進(jìn)液口流量Q設(shè)為1.2L/min，冷卻液為65號(hào)航空冷卻液（Glycol?60），冷板材質(zhì)設(shè)為6061?T6鋁合金，環(huán)境溫度設(shè)置為40℃，輻射溫度也設(shè)置為40℃。

為了確定冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)雷諾公式Re=，其中，v—冷卻液的進(jìn)口速度，v=Q/A=0.625m/s；D—流道的水力直徑，D=2ab（/a+b）=5.3mm；ρ—冷卻液的密度，ρ=1098kg/m3；μ—冷卻液的動(dòng)力粘度，μ=1×10?3Pa·s，則計(jì)算出Re>2320。

所以流體類型設(shè)置為湍流。網(wǎng)格類型選擇六面體占優(yōu)模塊（即：Mesher?HD），單個(gè)網(wǎng)格元素的X、Y、Z三個(gè)方向最大尺寸分別為0.3mm、0.25mm、0.2mm[13]。

3.3 仿真結(jié)果分析

冷板表面的溫度云圖，如圖4所示。冷板的表面最高溫度溫度為62.70℃，且都集中在熱源中心區(qū)，由于進(jìn)口處冷卻液溫度較低，能吸收更多的熱量，隨著冷卻液向左流動(dòng)，冷卻液溫度升高，吸熱能力便逐漸下降，所以靠近進(jìn)液口的右側(cè)熱源溫度低于左側(cè)出液口熱源溫度。熱源中心溫度，如表1所示。

表1 熱源中心溫度變化表Tab.1 The Table of Temperature Variation of Center Heat Source

圖4 冷板表面溫度云圖Fig.4 Cold Plate Surface Temperature Cloud

熱源的最高溫與最低溫度相差2.40℃。由于冷板的最高溫度超過了60℃，因此常規(guī)液冷板不能滿足此冷板的工作要求。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析

4.1 冷板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在S型流道里添加翅柱肋片能夠加強(qiáng)冷板散熱效率的本質(zhì)是：熱源將熱量傳給各肋片，冷卻液與肋柱的各個(gè)表面產(chǎn)生充分接觸，這就會(huì)帶走更多的熱量。根據(jù)牛頓冷卻公式Φ=?A(tw?tf)，式中：?—對(duì)流換熱系數(shù)；A—流體與壁面接觸面積；tw—壁面溫度；tf—流體溫度。由于A、tw、tf都是定值，只有增大流體與肋片的對(duì)流接觸面積，才能提高換熱量。現(xiàn)將矩形肋片改為平行四邊形肋片，如圖5（a）所示。又設(shè)計(jì)出“沙漏型”肋片，如圖5（b）所示。又在平行四邊形翅柱肋基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出雙層平行四邊形肋片，如圖5（c）所示。確保流道的截面積為48mm2，流道數(shù)目為8個(gè)。

圖5 翅柱流道截面圖Fig.5 Cross Section of Wing Column Channel

4.2 仿真分析

分別對(duì)這三種結(jié)構(gòu)冷板進(jìn)行仿真模擬，仿真的邊界條件，網(wǎng)格劃分設(shè)置均不變。仿真完成后，其冷板表面溫度云圖，如圖6所示。每塊熱源中心溫度，如表2所示。

圖6 表面溫度云圖Fig.6 Cold Plate Surface Temperature Cloud

表2 熱源中心溫度變化表Tab.2 The Table of Temperature Variation of Center Heat Source

從圖表中可以看出，這三種結(jié)構(gòu)液冷板散熱性能都優(yōu)于常規(guī)矩形通道液冷板，且表面的最高溫度都低于60℃，熱源的最高溫與最低溫差值都小于3℃。

其中雙層平行四邊形翅柱冷板冷卻效果最優(yōu)，表面最高溫度約為56.07℃，比“沙漏型”翅柱冷板表面的最高溫度低約1.03℃，比平行四邊形翅柱冷板表面最高溫度低2.28℃。冷板流道的壓力云圖，如圖7所示。

圖7 流道壓力云圖Fig.7 Flow Pressure Cloud

平行四邊形翅柱冷板流道最大壓力約為18361.8.1Pa“，沙漏型”翅柱冷板流道最大壓力約為12686.2Pa，雙層平行四邊形翅柱冷板流道最大壓力約為22590.7Pa，很明顯的看出“沙漏型”翅柱冷板流道最大壓力最小，平行四邊形翅柱肋冷板流道次之，雙層平行四邊形翅柱冷板流道最大壓力最大。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)Fig.8 Experimental System Platform

來驗(yàn)證這3種不同流道冷板的實(shí)際散熱性能。實(shí)驗(yàn)器材包括1臺(tái)液冷源（冷卻范圍（10～40）℃，精度：0.1℃）、1個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)（精度：0.1L/h）、2個(gè)壓力表（精度為1級(jí)）、10塊熱電偶片、5個(gè)溫度傳感器（精度0.1℃）、1 臺(tái)300W 的直流電源、1 臺(tái)數(shù)據(jù)采集終端、導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)線若干。

所有計(jì)量表在使用前都進(jìn)行過校準(zhǔn)與校零。搭建好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，將實(shí)驗(yàn)裝置置于40℃環(huán)境當(dāng)中，并進(jìn)行如下操作：

（1）設(shè)置液冷源參數(shù)，將其供液溫度設(shè)置為35℃，控制液冷源閥門，控制流量計(jì)讀數(shù)為1.2L/min。

（2）接通熱電偶電源，控制每個(gè)熱電偶片的功率為30W。

（3）持續(xù)工作28min，每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

5.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)結(jié)束后將終端的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，冷板表面的最高溫度的變化，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)至18min左右，冷板表面溫度趨于穩(wěn)定。雙層平行四邊形翅柱冷板散熱性能最好，表面最高溫度大約在56.8℃趨于穩(wěn)定；“沙漏型”翅柱冷板散熱性能適中，表面最高溫度大約在57.9℃趨于穩(wěn)定；平行四邊形翅柱冷板散熱性能最差，表面最高溫度大約在59.1℃時(shí)趨于穩(wěn)定。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如表3所示。

表3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Tab.3 Comparison Between Simulation Results and Experimental Results

圖9 三種冷板試驗(yàn)中冷板表面最高溫度Fig.9 The Highest Surface Temperature of Three Kinds of Cold Plate Tests

實(shí)驗(yàn)溫度與仿真溫度的相差度都在2%以內(nèi)，在正常偏差范圍之內(nèi)。因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中熱阻無與冷板表面存在間隙，無法完全貼緊，環(huán)境溫度的波動(dòng)，以及液冷源提供的供液流量的存在不穩(wěn)定性等因素，導(dǎo)致了仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差。

6 結(jié)論

（1）在常規(guī)矩形通道冷板的基礎(chǔ)上優(yōu)化模型，建立了三種不同結(jié)構(gòu)的液冷板，利用仿真軟件ICEPAK 對(duì)其進(jìn)行了熱仿真來比較它們的散熱性能。結(jié)果表明：增大冷卻液與翅柱肋片的接觸面積后，三種改進(jìn)型液冷板的散熱性能都優(yōu)于常規(guī)矩形通道液冷板。

（2）在這三種不同結(jié)構(gòu)的液冷板中，“沙漏型”翅柱冷板的散熱性能適中，平行四邊形翅柱冷板散熱性能最差，雙層平行四邊形翅柱冷板散熱性能最優(yōu)。在流阻方面“，沙漏型”冷板的流阻明顯低于其它兩種。

（3）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證了仿真結(jié)果的可靠性。