某高效散熱冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李 健，趙如意，張 恒，葛 鷹

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

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，電子產(chǎn)品及電子設(shè)備中的一些器件熱流密度越來(lái)越大，給散熱技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求[1]。傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足電子設(shè)備冷卻要求，一般熱流密度超過(guò)0.6W/cm2時(shí)，就需要采用強(qiáng)迫液冷的方式進(jìn)行散熱[2]。冷板是一種單流體的熱交換器，是目前廣泛應(yīng)用于中、高功率密度的電子設(shè)備中的一種換熱裝置[3]。常規(guī)的液冷結(jié)構(gòu)有直線型、U型和S型等流道冷板，但是在面對(duì)目前一些熱流密度較高的電子設(shè)備時(shí)，這些普通流道往往滿足不了其散熱要求。這就需要適當(dāng)?shù)母淖兞鞯纼?nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加冷板流道的換熱面積，提高元器件的散熱效率。

近二十年來(lái)，學(xué)術(shù)界開展了大量關(guān)于液冷冷板散熱性能的研究，文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)雙層微小通道冷板的冷卻性能進(jìn)行理論分析；文獻(xiàn)[6]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法研究了影響U型及Z型流向散熱器流量分布均勻性的幾何結(jié)構(gòu)因素，得出入口總管的流速、入口總管的尺寸、并行管路的直徑、并行管路的間距、流向（U/Z型流向）等結(jié)構(gòu)因素對(duì)流量分布的均勻性有重要影響。文獻(xiàn)[7]用CFD模擬研究了平行流道冷板的進(jìn)出水位置對(duì)整體性能的影響，共研究了五種不同進(jìn)出口位置，模擬顯示了流動(dòng)導(dǎo)致的速度的分布不均和溫度場(chǎng)的不均勻。文獻(xiàn)[8]來(lái)等利用數(shù)值仿真方法對(duì)速度、U型和Z型流道結(jié)構(gòu)、并行流道的橫截面三種因素是如何影響流量分布進(jìn)行了研究，提出了改善流量分布的方法。但是，目前對(duì)于新型流道以及流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為了推進(jìn)和補(bǔ)充這方面的工作，通過(guò)ICEPAK熱仿真軟件對(duì)三種不同形狀的流道翅片進(jìn)行散熱性能分析，從而優(yōu)化S型流道，得到相關(guān)研究成果，為今后的軍用電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模型

某六通道的電子設(shè)備采用液冷冷板的散熱形式，為了減少仿真網(wǎng)格數(shù)，保證仿真的精確度[9]，模型簡(jiǎn)化，如圖1所示。冷板尺寸為（200×60×8）mm，材質(zhì)為6061鋁。正反面各貼6塊電子芯片（以下稱熱源），熱源尺寸為（10×6×2）mm，陣列并對(duì)稱貼在冷板兩側(cè)，每個(gè)熱源功率25W，需要保證在40℃的環(huán)境溫度下，熱源區(qū)域溫差不得高于2.5℃，冷板表面的溫度不得超過(guò)60℃。

圖1 液冷板三維模型Fig.1 The Three-Dimensional Model of Liquid-Cooling Plate

3 S型流道散熱性能分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

常規(guī)的S型流道冷板結(jié)構(gòu)截面圖，如圖2所示。將帶有流道的冷板三維模型導(dǎo)入ICEPAK中，并設(shè)置邊界條件：熱源總功率設(shè)為300W，環(huán)境溫度和輻射溫度都設(shè)為40℃，默認(rèn)冷板材料為Al-Extruded，進(jìn)出口設(shè)置兩個(gè)opening，冷卻液為Glycol-60（65號(hào)防凍液），此溶液比熱容為3171J（/kg·℃），密度為1063.4kg/m3，根據(jù)公式Q=cmΔt、m=ρv和v=qt，可推導(dǎo)出q=，式中：q—流量（L/h）；Q—熱量（J）；c—比熱容J（/kg·℃）；ρ—密度（kg/m）3；t—單位時(shí)間（s）；Δt—溫差（℃），按進(jìn)出口水溫差5℃計(jì)算出所需供液流量為0.85L/min。邊界條件設(shè)置完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用Mesher-HD。X、Y、Z三個(gè)方向最大的尺寸分別是0.3mm、0.25mm、0.2mm。

圖2 S型流道截面圖Fig.2 The Cross-Section Diagram of S-Shaped Flow Channel

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真得到的冷板表面溫度云圖，如圖3所示。整個(gè)冷板的熱量從中心向兩邊逐漸擴(kuò)散開來(lái)，冷板的最高溫度集中在熱源所在區(qū)域，由于左側(cè)是冷卻液入口，冷板的溫度相對(duì)比較低，越往右，冷卻液帶走的熱量越來(lái)越少，冷板的溫度逐漸升高，導(dǎo)致左側(cè)的散熱效果比右側(cè)更明顯。從左往右每個(gè)熱源中心的溫度變化情況表，如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，熱源區(qū)域的溫差接近2.9℃，且最高溫度達(dá)65.04℃，并不能滿足此冷板的熱設(shè)計(jì)要求。

圖3 溫度云圖Fig.3 Temperature Contour

4 S型加翅片流道散熱性能分析

4.1 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

整個(gè)冷板熱源的總功耗達(dá)到300W，從上面的溫度云圖中可以看出，普通的S型流道已經(jīng)滿足不了它的散熱要求。這時(shí)引入翅片散熱模塊，通過(guò)增加冷卻液和冷板的換熱面積，來(lái)提高冷板的換熱效率[10]。但是翅片模塊的引入同時(shí)也使得流道通水的截面積變小，導(dǎo)致流速變大，從而也增大了流阻?？紤]到整個(gè)冷板正反各有6塊芯片集中發(fā)熱，為了減小流阻，在熱源正下方的流道位置增加翅片，解決冷板局部熱流密度高的問(wèn)題。

針對(duì)散熱要求，分別設(shè)計(jì)了矩形、梯形、三角形三種不同形狀的翅片，保證它們的橫截面積都為20mm2，流道數(shù)目為10，翅片間距為1.3mm。矩形、三角形翅片由于它們的當(dāng)量直徑比較小，所以具有較好的散熱性能，而梯形翅片是因?yàn)槠湫螤铑愃撇ㄐ?，能形成冷卻液的二次流動(dòng)，從而提高它的換熱性能。加入翅片后的S型冷板流道截面圖，如圖4所示。利用仿真軟件對(duì)三種冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，仿真的邊界條件保持不變。

4.2 仿真結(jié)果分析

三種冷板仿真所得到的溫度云圖，如圖5所示。每個(gè)熱源中心溫度變化，如表2所示。對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，從三種不同翅片的溫度云圖中可以看出，三種翅片流道的溫度都低于60℃，散熱效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的S型流道。其中，使用三角形翅片的散熱效果最好，冷板表面最高溫度56.1℃，相較于矩形翅片低2.2℃，比普通S型流道的溫度降低約8.9℃，梯形翅片的散熱效果介于矩形和三角形翅片之間，其最高溫度與三角形翅片僅相差了0.9℃。從熱源中心溫度變化表可以發(fā)現(xiàn)，三種翅片熱源處的整體溫差都低于2.5℃，其中梯形翅片的溫差最小為1.77℃。因此，從溫差方面來(lái)說(shuō)，梯形翅片的散熱效果最好。三種翅片冷板的壓力云圖，如圖6所示。矩形、梯形、三角形翅片的最大壓力分別為 49678.9N/m2、46944.6N/m2、53955.0N/m2，由此可見(jiàn)，梯形翅片的流阻最小。綜合考慮散熱效果和系統(tǒng)流阻，最終選擇梯形翅片的散熱模塊結(jié)構(gòu)。

圖5 溫度云圖Fig.5 Temperature Contour

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

圖6 壓力云圖Fig.6 Pressure Contour

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了進(jìn)一步驗(yàn)證三種翅片冷板的換熱性能，搭建了試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行熱測(cè)試。試驗(yàn)裝置包括液冷源、轉(zhuǎn)子流量計(jì)（L/h）、溫度傳感器（精度0.15℃）、壓力表、計(jì)算機(jī)、熱電偶若干、接觸調(diào)壓器、三種翅片冷板等。

5.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中冷卻液流通主要試驗(yàn)器材的循環(huán)為液冷源—壓力表（進(jìn)口）—轉(zhuǎn)子流量計(jì)—液冷板—壓力表（出口）—液冷源，試驗(yàn)原理示意圖，如圖7所示。其中液冷源提供恒定流量（0.85L/min）、恒定溫度（40℃）的65號(hào)防凍冷卻液用以冷卻冷板負(fù)載。

準(zhǔn)備試驗(yàn)所需設(shè)備，對(duì)三種冷板進(jìn)行以下試驗(yàn)：把12個(gè)熱電偶分別正反對(duì)稱貼裝在冷板表面，通過(guò)接觸調(diào)壓器將每個(gè)電阻的功率調(diào)至25W，同時(shí)電阻與冷板接觸面均填充導(dǎo)熱硅脂以減小接觸熱阻。按照原理示意圖安裝水頭，連接水管，連通液冷源。設(shè)置液冷源出液溫度40℃，通過(guò)回口閥門調(diào)節(jié)流量使得流量計(jì)顯示51L/h（0.85L/min），開啟液冷源進(jìn)行工作。持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)25min，每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

圖7 試驗(yàn)原理示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Test Principle

5.3 試驗(yàn)分析

三種冷板實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至15min左右時(shí)，三種冷板的表面溫度都趨于穩(wěn)定。三角形翅片的溫度曲線在54.8℃左右趨于穩(wěn)定，梯形和矩形翅片的溫度曲線分別在55.7℃和57.1℃趨于穩(wěn)定。通過(guò)曲線圖可以看出：三角形翅片的冷板表面溫度最先趨于穩(wěn)定，因此它的散熱效果最好，而矩形翅片的散熱效果最差。由于仿真過(guò)程中忽略了功率器件與冷板之間焊接材料的熱阻以及試驗(yàn)環(huán)境溫度的波動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)存在一定的誤差。但是在三種冷板表面溫度變化趨勢(shì)方面，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相同，由此可保證ICEPAK仿真軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的可靠性。

圖8 三組實(shí)驗(yàn)冷板溫度變化圖Fig.8 The Temperature Variation of the Three Groups

6 結(jié)論

（1）利用ICEPAK仿真軟件對(duì)普通S型流道和改進(jìn)后的三種翅片流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，結(jié)果顯示翅片散熱模塊的引入能明顯改善冷板的散熱性能，可以更有效的解決電子設(shè)備密度高、散熱困難等問(wèn)題。（2）改進(jìn)后的三種翅片流道冷板都滿足設(shè)計(jì)要求。其中，采用三角形截面的翅片冷板表面溫度最低，矩形截面的翅片冷板溫度最高；采用梯形截面的翅片冷板表面溫差最小，壓阻也是最小。因此，綜合考慮散熱效果、系統(tǒng)流阻、工藝加工，最終選擇梯形翅片的散熱模塊結(jié)構(gòu)。（3）通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，驗(yàn)證了ICEPAK仿真軟件在熱設(shè)計(jì)階段的可行性。

［1］翁建華，郭廣品，崔曉鈺.散熱器翅片間距的選取及其與微型風(fēng)扇的匹配［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（6）：52-53+57.（Weng Jian-hua，Guo Guang-pin，Cui Xiao-yu.Determination of the Fin Gap of Heat Sink and its Match with Miniature Fan［J］.Machinery Design＆ Manufacture，2013（6）：52-53+57.）

［2］呂洪濤.某固態(tài)發(fā)射模塊冷板的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.電子機(jī)械工程，2012，28（4）：18-21.（Lv Hong-tao.Design and Optimization for Cold Plate of a Solid-state Trasmitter Module［J］.Electro-Mechanical Engineering，2012，28（4）：18-21.）

［3］翟妮娜.S型流道液冷冷板性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013.（Zhai Ni-na.Performance Analysis and Structural Optimization of S-shaped Flow Channel Liquid-cooling Plate［D］.Xi’an：Xidian University，2013.）

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

［5］Wang Zheng-hua，Wang Xiao-dong，Yan Wei-mon.Multi-Parameters Optimization for Micro-channel Heat Sink Using Inverse Problem Method［J］.International journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（13）：2811-2819.

［6］C.-C.Wang，K.-S.Yang，J.-S.Tsai.Characteristics of Flow Distribution in Compact Parallel Flow Heat Exchangers，part I：Typical Inlet Header［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（16）：3226-3234

［7］Lu Ming-chang，Wang Chi-chuan.Effect of the Inlet Location on the Performance of Parallel-channel Cold-plate［J］.Transactions on Compon-Ents and Packaging Technologies，2006，29（1）：30-38.

［8］張潤(rùn)來(lái)，方一紅.并聯(lián)管組模型流動(dòng)均勻性分析［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：45-48.（Zhang Run-lai，F(xiàn)ang Yi-hong.An Analysis of the Uniformity of Flow in Parallel Pipeline Model［J］.Journal of Tianjin University of Science＆Technology，2007（2）：45-48.）

［9］謝耿林.有源相控陣天線小通道冷板的熱仿真分析與熱設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2014.（Xie Geng-lin.Thermal Simulation Anslysis and Thermal Design of Microchannel Cold-plate of Active Phased Array Antenna［D］.Chengdu：School of Mechatronics Engineering，2014.）

［10］Javier A.Narvaez，Hugh Thornburg，Markus P.Rumpfkeil，Robert J.Wilkens.Computational Modeling of a Microchannel Cold Plate：Pressure，Velocity，and Temperature Profiles［J］.International Journal of Heat and MassTransfer，2014（78）：90-98.