李 健，蕭維智，葛 鷹

（1.常州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇常州 213164；2.常州賀斯特科技股份有限公司，江蘇常州 213001）

0 引言

半導(dǎo)體和與之相關(guān)的電子領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，是電子元件的小型化與集成化成為可能，這也讓電子元件的熱損耗呈指數(shù)性增加［1］。近年來，液冷技術(shù)隨著制造工藝、穩(wěn)定可靠性等問題被逐步解決，其在電子散熱領(lǐng)域的運用更加普遍廣泛，液冷技術(shù)正慢慢取代傳統(tǒng)風(fēng)冷散熱技術(shù)。液冷技術(shù)以其高效、緊湊、噪聲小等特點得到了廣泛的使用［2］。其中，液冷冷板技術(shù)是液冷散熱技術(shù)中最普遍、發(fā)展時間最長的技術(shù)，國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)正趨近成熟但對液冷冷板內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的研究每年都會取得突破。微通道技術(shù)由于其可以在相對緊湊的區(qū)域中提供較大的散熱能力在液冷冷板中被大量使用［3］。Jin等［4］設(shè)計了一種用于 EV電池的超薄型微通道液冷冷板，在冷板與EV電池換熱的大面積區(qū)域所對的流道中加入斜翅片。與傳統(tǒng)直流道微通道相比，具有斜翅片的冷板在使用過程中可以改變冷卻液的流動條件，破環(huán)了直線流道中邊界層的形成，產(chǎn)生了“入口效應(yīng)”，使流道的表面換熱系數(shù)增大，顯著改善了冷板的傳熱性能。Luo等［5］研究了冷板流道的分型樹狀結(jié)構(gòu)，分型樹狀微通道流道靈感源自人體血管系統(tǒng)、樹木供養(yǎng)系統(tǒng)等自然系統(tǒng)，運用此結(jié)構(gòu)的冷板流道具有更小的流動阻力，散熱性能比傳統(tǒng)平行微通道高10%左右。本文通過計算及熱仿真的方法，比較4種不同角度的斜翅片冷板、2種不同排布的菱形翅片冷板以及圓形翅片冷板的散熱能力，并通過試驗的方法加以驗證。

1 設(shè)計模型與理論計算

1.1 冷板設(shè)計模型及相關(guān)參數(shù)

液冷冷板模型如圖1所示，冷板正反兩面均設(shè)有熱源，對稱排布。冷板外形尺寸為300 mm×180 mm×12 mm，流道深度5 mm，材質(zhì)為6063鋁合金。冷板中央設(shè)有熱源槽，槽尺寸為90 mm×15 mm×1 mm。中央散熱區(qū)域陣列排列熱源20個，5排4列，熱源排間距21.5 mm、列間距21 mm，熱源尺寸為16 mm×13 mm×3 mm，每個熱源發(fā)熱功率為10 W，通過導(dǎo)熱硅脂與熱源槽緊密貼合。冷板兩側(cè)每個熱源發(fā)熱功率為5 W，左右對稱排布，單面6個。整塊冷板為52個熱源提供散熱，熱源發(fā)熱功率總計460 W，熱源分布如圖2所示。

圖1 液冷冷板結(jié)構(gòu)

圖2 熱源分布

冷板的中心位置處設(shè)有翅片，圖3（a）（b）分別示出了翅片區(qū)域的位置和翅片的結(jié)構(gòu)形式，共7種不同的流道翅片，分別為：正方形翅片、30°斜翅片、45°斜翅片、60°斜翅片、圓形翅片、直排菱形翅片以及交錯斜排菱形翅片。

圖3 中心翅片位置與結(jié)構(gòu)示意

1.2 外部條件參數(shù)及理論計算

外部環(huán)境溫度為20 ℃，輻射溫度20 ℃。冷板材料為6063鋁合金，20℃時導(dǎo)熱系數(shù)為209 W/（m·K）；冷卻液選擇 60% 水 -乙二醇溶液，20 ℃時其動力黏度μ=5.38 N·s/m2，密度為1 081.35 kg/m3。為研究不同翅片對中心區(qū)域散熱的影響，假設(shè)中心區(qū)域入口處冷卻劑物理特性、運動特性、熱力學(xué)特性相同，以下計算各參數(shù)均為中心區(qū)域的參數(shù)。

研究表明，超過95%的熱量進入冷板后會傳遞給冷卻劑，其它形式的熱量損失很小忽略不計［6］。冷板散熱量qb可近似看作冷卻劑的顯熱增量qL。

冷卻劑的熱增量qL由能量平衡方程決定：

式中 qL——冷卻劑的熱增量；

ρ ——密度；

cp——60%水乙二醇溶液的比熱容；

Q ——冷卻液的體積流量；

Tout——冷板出口處溫度；

Tin——冷板入口處溫度。

冷板的平均傳熱系數(shù)h：

式中 Atotal——對流傳熱的總換熱面積；

Tw——流道壁面溫度；

Tm——冷卻劑平均溫度。

Atotal可以由下式求得：

式中 N ——翅片個數(shù)；

L ——散熱區(qū)域的長度；

d ——流道寬度；

η ——翅片效率系數(shù)；

Ab——中心區(qū)域中翅片不占區(qū)域面積；

Afin——翅片所占區(qū)域面積。

在式（3）中，Ab，Afin可由下式求得：

式中 wwl——單個翅片面積。

翅片散熱效率η解釋了對流換熱過程中冷卻劑沿不同形式的翅片流動帶走熱量的能力，是一個與翅片外形、材料等物理參數(shù)有關(guān)的流體力學(xué)參數(shù)，其計算方法由經(jīng)驗公式給出［7-8］：

式中 m——翅片參數(shù)。

m可由如下經(jīng)驗公式求出：

由于后續(xù)試驗無法對冷板流道內(nèi)壁的溫度進行測量，所以流道壁面溫度可以通過對應(yīng)位置的冷板外側(cè)溫度計算得出。假設(shè)冷板厚度方向的傳熱為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傳熱，則流道壁面溫度：

式中 s——測溫點到相應(yīng)內(nèi)壁的距離。

冷板材質(zhì)為6063鋁合金，冷板材料傳熱系數(shù)相同；中央部分翅片面積均為16 mm2，翅片面積相同；聯(lián)立式（2）和式（4）～（6）可求解冷板的平均傳熱系數(shù)。

2 仿真與分析

2.1 冷板模型導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

在Ansys Workbench軟件導(dǎo)入冷板與熱源模型，使用Simplify簡化工具簡化三位模型，并在Detail View工具欄中Simplification Type工具條中選擇合適簡化等級。熱源選擇Level 2，冷板模型選擇Level 3（CAD object）。模型簡化后使用Opening工具選擇冷卻劑入口、出口，保存簡化模型后進入ICEPAK軟件進行網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格處理X，Y，Z 3個方向的最大尺寸設(shè)置為0.6，0.6，1 mm，勾選 Mesh assemblies separately和Set uniform params選項，系統(tǒng)可自動識別模型組件，在復(fù)雜模型區(qū)域加密網(wǎng)格。點擊Generate按鈕劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)束后檢查網(wǎng)格質(zhì)量。

2.2 邊界條件設(shè)置

在ICEPAK軟件中按照設(shè)計模型設(shè)置仿真邊界條件。熱源模型按照設(shè)計設(shè)置發(fā)熱功率，總發(fā)熱功率為460 W；仿真環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，輻射溫度也設(shè)置為20℃；冷卻劑類型選擇Glycol-60，及60%水-乙二醇溶液；冷板材料選擇鍛造鋁合金，材料表面選擇鋁材表面拋光；入口速度設(shè)置為2 m/s，計算模型選擇湍流零方程。打開仿真計算器，計算得到溫度、壓力與速度云圖。

圖4 冷板仿真溫度、壓力云圖

2.3 仿真結(jié)果與比較

取冷板表面最高溫度和冷卻液出入口壓力差為研究對象，仿真并記錄7種不同流道的冷板的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 冷板表面最高溫度與壓差

比較分析仿真結(jié)果可知，4種斜翅片的冷卻液出入口壓力差小于圓形與菱形翅片的壓力差，但差值不大；菱形交錯斜排的翅片和60°斜翅片的散熱效果最好。在幾種斜翅片中，60°斜翅片的散熱效果優(yōu)于其他角度斜翅片的散熱效果，這與的研究結(jié)果一致。如圖5所示，大角度的斜翅片更容易使冷卻劑流入分支流道，主流道中的冷卻劑的流動狀態(tài)被動改變，破壞了流動邊界層的產(chǎn)生，更容易形成“入口效應(yīng)”從而提高局部換熱系數(shù)增加散熱效果；正方形翅片的流道中，冷卻劑很難流入分支流道或者流入分支流道的流量很少，大量冷卻劑流入主流道中，容易產(chǎn)生流動邊界層。

圖5 各冷板翅片區(qū)域流體流動狀態(tài)示意

60°斜翅片冷板的分支流道與主流道的夾角較小，主流道中的冷卻劑容易流入，散熱效果較好；交錯斜排列的菱形翅片冷板中，由兩流道匯入的冷卻劑平均分配流入下一級兩流道，流動特性逐級改變，不容易形成流動邊界層，所以散熱效果優(yōu)異。

將60°斜翅片冷板與交錯斜排列的菱形翅片冷板單獨仿真作比較。仿真邊界條件不變：總發(fā)熱功率為460 W；仿真環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，輻射溫度也設(shè)置為20 ℃；冷卻劑類型選擇Glycol-60，及60%水-乙二醇溶液；冷板材料選擇鍛造鋁合金，材料表面選擇鋁材表面拋光。分別改變兩塊冷板的入口冷卻劑流速，流速分別為1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5，5 m/s，比較 2 種冷板在不同入口流速的情況下，散熱性能的變化。

2種冷板的表面最高溫度隨流速的變化趨勢如圖6所示。

圖6 各冷板翅片區(qū)域流體流動狀態(tài)示意

由圖6可知，2種冷板的散熱性能隨著冷卻劑入口流速的增大而提高，交錯斜排菱形翅片冷板的散熱性能隨溫度變化的趨勢比60°斜翅片冷板的趨勢大，在相同的環(huán)境與冷卻劑流速條件下，交錯斜排的菱形翅片冷板的散熱性能更好，在能保證冷卻劑泵提供足夠流量的情況下，選擇交錯斜排的菱形翅片冷板可以提供更好的散熱效果。

3 試驗分析

3.1 試驗臺搭建

為進一步驗證仿真結(jié)果的可靠性，對0°斜翅片，60°斜翅片，菱形翅片（豎直排列），菱形翅片（交錯斜排）4種冷板進行對比試驗。試驗設(shè)備包括：恒溫測試箱（溫度范圍-55～90 ℃）、試驗臺、球閥、60%水-乙二醇冷卻劑、針尖式熱電偶（正反共放置8個）、導(dǎo)熱硅脂（若干）、矩形熱源（52個/功率可調(diào)）、水接頭（2對）、橡膠軟管（若干）、小型液冷源、數(shù)據(jù)采集器、電腦、絕緣膠帶（若干）。

按照圖7所示試驗原理搭建試驗工作臺。將待測冷板放于試驗臺上，底部懸空。將矩形熱源按照設(shè)計模型放置于冷板上，通過導(dǎo)熱硅脂與冷板接觸，底部的熱源通過絕緣膠帶固定。針尖式熱電偶通過數(shù)據(jù)采集器與電腦相連，尖端測溫處與冷板上熱源貼合，熱電偶冷板上、下兩面共4個。依次連接好液冷源，控制閥，橡膠軟管，水接頭與冷板，通入冷卻劑。

圖7 試驗原理

3.2 試驗方法

恒溫測試箱溫度設(shè)置為20 ℃，液冷源溫度調(diào)節(jié)為20 ℃，流量調(diào)節(jié)為2.4 L/min。每隔30 s記錄一組數(shù)據(jù)，更換冷板重復(fù)以上步驟試驗并記錄數(shù)據(jù)。記錄每組數(shù)據(jù)中溫度的最高值，繪制時間與最高溫度的曲線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗測試結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果分析

由圖8可見，4種冷板的溫度在10 min時趨于穩(wěn)定，0°斜翅片冷板、60°斜翅片冷板、豎直排列菱形翅片冷板、交錯斜排列菱形翅片冷板分別在34.7，31.7，32.8，30.9 ℃時趨于穩(wěn)定，交錯斜排列菱形翅片冷板的散熱性能優(yōu)于其他3種試驗冷板。冷板的試驗數(shù)據(jù)分別與仿真數(shù)據(jù)相差0.33，0.02，0.16，0.2 ℃，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果在較小的誤差內(nèi)具有一致性。

4 結(jié)論

（1）通過仿真軟件ICEPAK對7種不同翅片形式的冷板進行仿真，結(jié)果表明，交錯斜排列菱形翅片的冷板具有最優(yōu)散熱效果，可以運用于密集型電子設(shè)備中，較好地解決電子設(shè)備發(fā)熱問題。

（2）交錯斜排列菱形翅片的冷板相較于其他形式的冷板，在增加入口冷卻劑流速時可以更好地發(fā)揮散熱性能，在可調(diào)流量的散熱系統(tǒng)中可以發(fā)揮更好的效果。

（3）通過試驗的方式證明了仿真分析方法的可靠性，為冷板設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了思路；但在運用中也要充分考慮實際因素，從而提高仿真結(jié)果的準確性。