液冷冷板散熱翅片形狀與排布研究

李 健，蕭維智，葛 鷹

（1.常州大學(xué) 機(jī)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(yùn)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(diǎn)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(shí)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(jì)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?fù)Q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(dòng)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(yùn)用此結(jié)構(gòu)的冷板流道具有更小的流動(dòng)阻力，散熱性能比傳統(tǒng)平行微通道高10%左右。本文通過計(jì)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(yàn)的方法加以驗(yàn)證。

1 設(shè)計(jì)模型與理論計(jì)算

1.1 冷板設(shè)計(jì)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(gè)，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(gè)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(gè)熱源發(fā)熱功率為5 W，左右對稱排布，單面6個(gè)。整塊冷板為52個(gè)熱源提供散熱，熱源發(fā)熱功率總計(jì)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(cuò)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(jì)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(shí)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(shí)其動(dòng)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(yùn)動(dòng)特性、熱力學(xué)特性相同，以下計(jì)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(jìn)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(jì)［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(gè)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(gè)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(dòng)帶走熱量的能力，是一個(gè)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(jì)算方法由經(jīng)驗(yàn)公式給出［7-8］：

式中 m——翅片參數(shù)。

m可由如下經(jīng)驗(yàn)公式求出：

由于后續(xù)試驗(yàn)無法對冷板流道內(nèi)壁的溫度進(jìn)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(jì)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(diǎn)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(jìn)入ICEPAK軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格處理X，Y，Z 3個(gè)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(xiàng)，系統(tǒng)可自動(dòng)識別模型組件，在復(fù)雜模型區(qū)域加密網(wǎng)格。點(diǎn)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(jì)模型設(shè)置仿真邊界條件。熱源模型按照設(shè)計(jì)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(jì)算模型選擇湍流零方程。打開仿真計(jì)算器，計(jì)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(cuò)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(dòng)狀態(tài)被動(dòng)改變，破壞了流動(dòng)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(dòng)邊界層。

圖5 各冷板翅片區(qū)域流體流動(dòng)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(cuò)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(dòng)特性逐級改變，不容易形成流動(dòng)邊界層，所以散熱效果優(yōu)異。

將60°斜翅片冷板與交錯(cuò)斜排列的菱形翅片冷板單獨(dú)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(dòng)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(cuò)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(cuò)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(cuò)斜排的菱形翅片冷板可以提供更好的散熱效果。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)臺搭建

為進(jìn)一步驗(yàn)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(cuò)斜排）4種冷板進(jìn)行對比試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備包括：恒溫測試箱（溫度范圍-55～90 ℃）、試驗(yàn)臺、球閥、60%水-乙二醇冷卻劑、針尖式熱電偶（正反共放置8個(gè)）、導(dǎo)熱硅脂（若干）、矩形熱源（52個(gè)/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(yàn)原理搭建試驗(yàn)工作臺。將待測冷板放于試驗(yàn)臺上，底部懸空。將矩形熱源按照設(shè)計(jì)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(gè)。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(yàn)原理

3.2 試驗(yàn)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(yàn)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(shí)間與最高溫度的曲線，結(jié)果如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)測試結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖8可見，4種冷板的溫度在10 min時(shí)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(cuò)斜排列菱形翅片冷板分別在34.7，31.7，32.8，30.9 ℃時(shí)趨于穩(wěn)定，交錯(cuò)斜排列菱形翅片冷板的散熱性能優(yōu)于其他3種試驗(yàn)冷板。冷板的試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)行仿真，結(jié)果表明，交錯(cuò)斜排列菱形翅片的冷板具有最優(yōu)散熱效果，可以運(yùn)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(cuò)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(shí)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(yàn)的方式證明了仿真分析方法的可靠性，為冷板設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了思路；但在運(yùn)用中也要充分考慮實(shí)際因素，從而提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。