微小通道液冷冷板散熱性能分析?

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展和微組裝能力的提升,未來全數(shù)字雷達(dá)T/R組件或全數(shù)字陣列模塊的熱耗將達(dá)到千瓦量級(jí),功率芯片的極限熱流密度將可能超過500 W/cm2,必須發(fā)展高熱流密度組件冷卻技術(shù)。

微小通道的概念最早由Tuckerman和Pease于1981年提出,并從理論上證明了微通道單相水冷的理論散熱能力可達(dá)到1 000 W/cm2[1]。近二十年來,學(xué)術(shù)界開展了大量的微通道冷卻機(jī)理研究、性能分析和工程應(yīng)用嘗試等工作,比如Sharma等針對(duì)雙層微小通道冷板的冷卻性能進(jìn)行理論分析[2-3],林林等針對(duì)微通道冷板散熱性能進(jìn)行優(yōu)化研究[4],王從師等將微小通道冷板在有源相控陣天線陣面冷卻上進(jìn)行了工程應(yīng)用[5]。

與常規(guī)液冷冷板相比,微小通道液冷冷板具備流道對(duì)流換熱系數(shù)高、極限散熱密度高、冷板熱阻低和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),在高熱流密度高熱耗組件冷卻領(lǐng)域潛力巨大。大量已開展的技術(shù)研究主要集中在微小尺度流動(dòng)機(jī)理研究,微小流道入口效應(yīng)研究等方面,針對(duì)未來數(shù)字陣列雷達(dá)核心部件[6],如全數(shù)字陣列模塊的冷卻應(yīng)用報(bào)道很少。

為進(jìn)一步分析微小通道結(jié)構(gòu)傳熱的微尺度效應(yīng),并綜合優(yōu)化微小通道液冷冷板的散熱性能和成型難度。本文針對(duì)典型的內(nèi)嵌矩形肋片而形成的微小通道冷板結(jié)構(gòu),開展了微小通道冷板與常規(guī)冷板的冷卻性能對(duì)比及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究,最終針對(duì)某型高熱耗全數(shù)字陣列模塊的冷卻問題,進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試等工作。

1 微小通道液冷冷板概述

傳統(tǒng)蛇形通道是電子設(shè)備液冷冷板中最常用的流道結(jié)構(gòu),冷卻介質(zhì)沿冷板內(nèi)蛇形通道依次流經(jīng)功率器件下方,通過與冷板的強(qiáng)迫對(duì)流換熱帶走功率器件的熱量,流道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于加工,但冷板散熱能力有限,難以滿足高熱耗高熱流密度組件散熱需求。

微小通道液冷冷板設(shè)計(jì),采用流動(dòng)的微尺度效應(yīng)和邊界層效應(yīng),大大提高冷卻介質(zhì)與冷板的對(duì)流換熱系數(shù),極大提升單位體積冷板的換熱面積,從而達(dá)到提升冷板散熱能力的目的,能有效突破蛇形通道冷板的極限散熱能力瓶頸,大大降低高熱耗高熱流密度組件冷卻對(duì)冷卻液流量和冷板體積的要求。微小通道液冷冷板雖然具有散熱能力強(qiáng)、散熱密度高、供液流量要求低、冷板熱阻低和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),但同樣存在冷板結(jié)構(gòu)加工成型困難以及流動(dòng)阻力較大等問題。在進(jìn)行微小通道液冷冷板工程設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其散熱能力、成型難度以及冷板壓損等特性進(jìn)行綜合優(yōu)化。

2 液冷冷板散熱性能分析

為兼顧微小通道冷板的可加工性并降低冷板壓損,在冷板底板上加工形成微小型矩形肋片形成1 mm左右寬度的微小尺度流道結(jié)構(gòu),通過多根微小通道并聯(lián)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在提升微小通道區(qū)域換熱能力的同時(shí)降低冷卻液流動(dòng)壓力損失。

本文首先針對(duì)該型微小通道冷板結(jié)構(gòu),對(duì)比其與常規(guī)蛇形通道冷板的散熱性能,并針對(duì)肋片厚度、肋片間距等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行微小通道液冷冷板散熱性能優(yōu)化。

2.1 計(jì)算模型

以小型冷板為研究對(duì)象,冷板尺寸為50 mm(長(zhǎng))×40 mm(寬)×10 mm(厚),冷板材料為鋁6063,模擬熱源尺寸為30 mm(長(zhǎng))×20 mm(寬)×4 mm(厚度),直接貼敷在冷板一側(cè)。

常規(guī)蛇形通道冷板結(jié)構(gòu)如圖1所示,流道深度H=4 mm,流道寬度分3組,分別為W=4,5和6 mm。微小通道冷板結(jié)構(gòu)如圖2所示,流道深度H=4 mm,流道內(nèi)嵌肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)分4組,分別為肋片厚度t=1.2 mm、肋片間隙d=1.8 mm,肋片厚度t=1.0 mm、肋片間隙d=1.5 mm,肋片厚度t=0.8 mm、肋片間隙d=1.2 mm,肋片厚度t=0.6 mm,肋片間隙d=1 mm。

圖1 蛇形通道冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 微小通道冷板結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)具體冷板結(jié)構(gòu)形式,使用成熟的流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)冷板散熱性能進(jìn)行仿真分析。仿真工況參考典型的電子設(shè)備冷板散熱需求,環(huán)境溫度取為50℃,冷卻介質(zhì)取60號(hào)防凍劑(66%的乙二醇水溶液),冷卻液進(jìn)口溫度為35℃,通過調(diào)整模擬熱源的功率來模擬不同熱耗、不同熱流密度的功率器件,以熱源與冷板接觸面溫度低于85℃作為冷板是否滿足散熱要求的判據(jù),分析常規(guī)蛇形通道和微小通道冷板的極限散熱能力。

2.2 蛇形通道液冷冷板散熱性能分析

蛇形通道冷板的散熱能力會(huì)隨著冷板供液流量的增大而提高,但受限于蛇形通道的自身流道結(jié)構(gòu)形式,當(dāng)冷卻液流量增大到一定程度時(shí),冷板散熱能力隨供液流量增大而提高的趨勢(shì)已很微弱,甚至于不再提高,此時(shí)的冷板散熱能力稱之為冷板極限散熱能力。對(duì)W=4,5和6 mm,H=4 mm等三型蛇形通道冷板的對(duì)流換熱系數(shù)h、極限散熱功率Q等散熱性能參數(shù)進(jìn)行研究,冷板對(duì)流換熱系數(shù)由以下公式計(jì)算:

式中,散熱功率Q即為熱源殼溫85℃所對(duì)應(yīng)的熱源功率,A為熱源面積,Tw為熱源殼體均溫,Tf為冷板流體平均溫度。

圖3～圖5分別為三型蛇形通道冷板的散熱功率、對(duì)流換熱系數(shù)和壓力損失等性能參數(shù)隨冷卻液流量變化圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果不難得出以下結(jié)論:

1)蛇形通道冷板的散熱能力隨冷卻液流量的增大而提高,而提高的趨勢(shì)隨著流量的增大而減弱,最終將逐漸趨于一定值,也就是冷板極限散熱能力,而冷板的壓力損失隨流量的增大而一直急速增大,近似于為流量增長(zhǎng)速率的平方關(guān)系。

2)隨通道寬度的增加,蛇形通道冷板流道換熱面積加大,冷卻液流速降低,冷板散熱能力隨之增加,冷卻液壓力損失隨之降低。其中W=4,5和6 mm的蛇形通道冷板極限散熱功率分別為110,116.5和134.5 W,對(duì)應(yīng)的熱源極限熱流密度約為18.3,19.4和22.4 W/cm2,冷板極限對(duì)流換熱系數(shù)約為4 188,4 440和5 152 W/(m2·K)。

圖3 蛇形通道冷板散熱功率隨供液流量變化圖

圖4 蛇形通道冷板對(duì)流換熱系數(shù)隨供液流量變化圖

圖5 蛇形通道冷板壓力損失隨冷板供液流量變化圖

2.3 微小通道液冷冷板散熱性能分析

為了更好地比較微小通道液冷冷板與常規(guī)蛇形通道冷板在散熱能力方面的差距,重點(diǎn)針對(duì)不同內(nèi)嵌肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)的微小通道冷板極限散熱能力。圖6～8分別為微小通道冷板的散熱功率、對(duì)流換熱系數(shù)和壓力損失隨冷板供液流量的變化圖。根據(jù)計(jì)算結(jié)果不難得出以下結(jié)論:

1)不同肋片結(jié)構(gòu)參數(shù)的微小通道冷板的散熱能力隨冷卻液流量的增大而提高,而提高的趨勢(shì)隨著流量的增大而減弱,最終將逐漸趨于一定值,也就是冷板極限散熱能力,冷板的壓力損失隨流量的增大而急速增大。

2)隨肋片結(jié)構(gòu)尺寸的減小,微小通道肋片間的微尺度效應(yīng)和擾流效應(yīng)明顯增強(qiáng),冷板有效換熱面積也隨之加大,冷板散熱能力隨之增加。其中肋片厚度t=1.2 mm、肋片間隙d=1.8 mm,t=1.0 mm、d=1.5 mm,t=0.8 mm、d=1.2 mm,t=0.6 mm、d=1 mm的四型微小通道冷板極限散熱功率分別為377,453,495和565 W,對(duì)應(yīng)的熱源極限熱流密度約為62.8,75.5,82.5和94.2 W/cm2,冷板極限對(duì)流換熱系數(shù)約為15 684,18 845,20 592和23 504 W/(m2·K)。

3)微小通道冷板的壓力損失隨冷卻液流量的增大而不斷提高,但通過采用微小通道并聯(lián)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),并進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以在顯著提升冷板散熱性能的同時(shí),使微小通道冷板的壓力損失與常規(guī)蛇形通道冷板的壓力損失相當(dāng)。

4)在相同冷卻液流量的情況下,微小通道冷板的散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蛇形通道冷板,其中肋片厚度t=0.6 mm,肋片間隙d=1 mm的微小通道冷板的極限散熱能力和冷板對(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)到流道寬度W=6 mm的蛇形通道冷板的4倍以上。

圖6 微小通道液冷冷板散熱功率隨冷板供液流量變化圖

圖7 微小通道液冷冷板對(duì)流換熱系數(shù)隨冷板供液流量變化圖

圖8 微小通道液冷冷板壓力損失隨冷板供液流量變化圖

3 微小通道冷板工程應(yīng)用分析

本文以某型8通道數(shù)字陣列模塊(DAM)的冷卻問題為例,對(duì)微小通道液冷冷板的工程應(yīng)用效果進(jìn)行分析。該型DAM組件熱耗約為884 W,功率管熱耗約為85 W,熱流密度約為25 W/cm2,需要滿足50℃極限環(huán)境溫度下DAM所有功率器件殼溫低于75℃的散熱要求。

為降低微小通道冷板的成型難度,通過大量仿真優(yōu)化確定DAM冷板流道結(jié)構(gòu),在冷板底板上機(jī)加成型微小肋片群結(jié)構(gòu),其中肋片厚度t=1 mm、肋片間隙d=1.5 mm,冷板底板與蓋板焊接形成多條微小通道并聯(lián)的流道結(jié)構(gòu)。

針對(duì)50℃極限高溫環(huán)境,對(duì)優(yōu)化后的微小通道液冷冷板散熱效果進(jìn)行校核,取供液流量為3.5 L/min、供液溫度為35℃,仿真結(jié)果顯示位于流道最下游的功率管的殼溫最高,約為64℃,冷板壓力損失約為14700 Pa,如圖9和圖10所示,滿足DAM散熱設(shè)計(jì)要求。

圖9 某型DAM功率管溫度分布圖

圖10 某型DAM冷板流道壓力分布圖

為驗(yàn)證微小通道冷板的實(shí)際散熱效果,在環(huán)境溫度為28℃、供液溫度為35℃的條件開展不同的供液流量下集成微小通道液冷冷板的DAM溫度測(cè)試工作,并與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì),如表1所示。不難看出,功率管管殼溫度隨供液流量的增大略有下降,管殼溫度的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的整體吻合度高,實(shí)測(cè)值略低1.5℃左右,這主要是因?yàn)楣β使軐?shí)際熱耗略低于計(jì)算熱耗,以及計(jì)算模型接觸熱阻取值略為保守所導(dǎo)致。

表1 某型DAM冷板功率管殼實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

微小通道液冷技術(shù)利用傳熱微尺度效應(yīng)和邊界層強(qiáng)化換熱機(jī)理,大大提高冷卻介質(zhì)與冷板的對(duì)流換熱系數(shù)和比換熱面積,通過冷板內(nèi)嵌多根微小型肋片的形式形成多條微小通道并聯(lián)的流道形式,在強(qiáng)化冷板散熱能力的同時(shí),兼顧冷板的可加工性與壓力損失特性。經(jīng)計(jì)算表明,50 mm×40 mm尺寸的典型微小通道液冷冷板的極限對(duì)流換熱系數(shù)超過20 000 W/(m2·K),極限散熱能力超過560 W,對(duì)應(yīng)的熱源極限熱流密度接近100 W/cm2,均超過了常規(guī)蛇形通道冷板4倍以上,冷板壓力損失水平相當(dāng)。隨著微通道結(jié)構(gòu)加工能力的提升,可實(shí)現(xiàn)冷板內(nèi)嵌微通道結(jié)構(gòu)的翅片間隙進(jìn)一步減小,以及翅片深寬比進(jìn)一步提高,可顯著提高冷板散熱能力,有望實(shí)現(xiàn)熱流密度150 W/cm2左右的高效散熱。

該型微小通道液冷冷板技術(shù)在某型8通道數(shù)字陣列模塊進(jìn)行了工程應(yīng)用,經(jīng)溫度實(shí)際測(cè)試表明,冷板散熱效果與預(yù)期吻合,具備良好的散熱能力和很好的工程應(yīng)用前景。

[1]TUCKERMAN D B,PEASE R F W.High-Performance Heat Sinking for VLSI[J].IEEE Electron Device Letters,1981,2(5):126-129.

[2]SHARMA D,SINGH P P,GARG H.Numerical Analysis of Trapezoidal Shape Double Layer Microchannel Heat Sink[J].International Journal of Mechanical and Industrial Engineering,2013,3(1):10-15.

[3]WANG Zheng-hua,WANG Xiao-dong,YAN Weimon,et al.Multi-Parameters Optimization for Microchannel Heat Sink Using Inverse Problem Method[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2011,54(13):2811-2819.

[4]林林,陳楊楊,王曉東.雙層微通道熱沉關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2014,35(3):567-570.

[5]王從思,宋正梅,康明魁,等.微通道冷板在有源相控陣天線上的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2013,29(1):1-4.

[6]方立軍,李佩,馬駿,等.基于微波光電技術(shù)的未來數(shù)字陣列構(gòu)想[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(6):583-586.