一種微通道液冷板的傳熱優(yōu)化

吳博

摘要：針對電子芯片和動力電池的散熱，通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片，提高了微通道液冷板的冷卻性能。結(jié)果表明在冷卻液的質(zhì)量流量為5g/s下，與原始模型比較，其最優(yōu)模型的Tmax和Taver分別下降了7.84K、7.96K，Tσ也下降了0.64K。本文的仿真結(jié)果可為基于動力電池和芯片的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計提供相關(guān)的參考。

關(guān)鍵詞：電池;冷板;傳熱

0 ?引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，大量元件的熱集中問題無法解決，如動力電池和芯片等。為了解決這一問題，大多數(shù)學(xué)者都是基于微通道散熱技術(shù)提出觀點。而微通道散熱技術(shù)最初是由Tuckerman和Pease[1]在1981年提出的。微通道散熱技術(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同大致可以分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻。然而在一些高集成電路和功率較大的動力電池中，空氣冷卻并不能滿足其散熱要求，所以液冷散熱成為芯片和汽車動力電池主流的散熱方式。周嘉等[2]針對電動汽車電池?zé)峁芾碓O(shè)計了一種微通道冷板，能夠滿足汽車在不同工況下的運行。Jin[3]設(shè)計了一種新的帶有陣列翅片的液冷板模型，并對翅片的角度和寬度進行了優(yōu)化，以獲得更好的傳熱性能。Pan等人[4]研制了一種扇形空腔微通道換熱器，并與傳統(tǒng)的矩形直微通道換熱器進行了對比。結(jié)果表明，采用扇形空腔的微通道換熱器性能更好。在本文中，通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片的方式，優(yōu)化其傳熱效率和功耗損失。

1 ?物理模型

1.1 CFD模型

2 ?結(jié)果與討論

為了更好的比較兩種液冷板的性能，兩液冷板的外界尺寸和邊界條件均保持一致。（圖2）

從圖2（a）中可以看出隨著質(zhì)量流量的增加，原始液冷板模型的Tmax與新液冷板模型的Tmax逐漸減，同時兩液冷板之間Tmax的差值也逐漸增大。圖2（b）圖中的兩冷板Taver的變化趨勢與圖2（a）保持一致。而從圖2（c）中可以看到，當冷卻液質(zhì)量流量小于2g/s時，新液冷板的Tσ性要弱于原始液冷板的。當冷卻液的質(zhì)量流量大于2g/s，新液冷板的Tσ要有優(yōu)于原始冷板，且隨著質(zhì)量流量的增加，其優(yōu)勢逐漸增大。至于ΔP方面，從圖2（d）圖中可以看出，新液冷板模型的壓降ΔP要大于原始冷板模型。

從圖3中可以看出，在冷卻液質(zhì)量流量為3g/s的工況下，新冷板中的冷卻液速度急劇增加，幾乎是原始模型的一倍，同時其在液冷板中的速度分布更加均勻。綜上原因，其加熱面的Tmax、Taver、Tσ均改善明顯。當翅片數(shù)目的增加也會阻礙冷卻液的流動，并在其翅片尾部形成渦流。

圖4（a），圖4（b）中展示的是在質(zhì)量流量為3g/s下的新液冷板和原始冷板加熱面溫度分布情況。從圖4（b）中展示的是原始冷板加熱面的溫度分布，可以看出熱集中區(qū)域處于冷板的中下部，且其面積較大。而從圖4（a）中可以看到，新模型的加熱面的Tmax下降了接近8K，溫度分布改善明顯，其熱集中區(qū)域的面積也減小的好多。

3 ?結(jié)論

在本文中，提出了一種用于冷卻電子芯片或動力電池的新型微通道液冷板，通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片的方式，增強了傳熱效率，同時壓降損失在可接受范圍內(nèi)。得到的主要結(jié)論如下：①隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加，其冷卻效果會降低，并且會帶來壓降的上升，從而額外的能量損失會增加。②通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片，可以有效的降低加熱面的Tmax和Taver，并且Tσ也改善明顯。③隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加，傳熱效率會得到一定的提升，同時也會帶來ΔP的升高，所以冷卻液質(zhì)量流量的選擇要根據(jù)電子芯片和動力電池的具體工作狀況而定。

參考文獻：

[1]D.B. Tuckerman， R.F.W. Pease， High-performance heat sinking for VLSI， IEEE Electron Dev.Lett.2 （1981） 126-129.

[2]周嘉.基于微小通道的純電動汽車軟包電池組熱管理結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

[3]L.W. Jin， P.S. Lee， X.X. Kong， Y. Fan， S.K. Chou， Ultra-thin mini-channel LCP for EV battery thermal management， Appl. Energy 113 （2014） 1786-1794.

[4]M. Pan， H. Wang， Y. Zhong， M. Hu， X. Zhou， G. Dong， P. Huang， Experimental investigation of the heat transfer performance of microchannel heat exchangers with fan-shaped cavities， Int. J. Heat Mass Transf.134 （2019） 1199-1208.

[5]T. Deng， Y. Ran， G. Zhang， Y. Yin， Novel leaf-like channels for cooling rectangular lithium ion batteries， Appl. Therm. Eng. 150 （2019） 1186-1196.