電子器件冷卻用針翅散熱器的散熱性能數(shù)值模擬

趙亮

（1.西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.四川省空天電子裝備環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610036）

引言

電子器件的環(huán)境適應(yīng)性包含了溫度、氣壓、濕度、沙塵、光照、振動(dòng)、沖擊、跌落、鹽霧、腐蝕、霉菌、老化、電磁兼容、失效、應(yīng)力等方面的內(nèi)容，隨著電子設(shè)備性能的不斷提升、體積逐漸減小、熱流密度不斷增加，使得緩解適應(yīng)性中的溫度成為制約電子設(shè)備性能的主要因素之一。這主要是因?yàn)檫^高的溫度會(huì)嚴(yán)重縮短電子元器件的壽命，甚至直接導(dǎo)致電子元器件失效。這使得電子器件冷卻成為國內(nèi)外電子器件環(huán)境適應(yīng)性研究的一個(gè)重要方面。

電子器件的冷卻方式有很多種，其中最主要的方式是空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻技術(shù)和液體冷卻技術(shù)。液體冷卻技術(shù)散熱能力強(qiáng)，但是其系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，包含泵、管路、散熱器、閥門等部件，密封性要求高，使用維護(hù)成本較高。而空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻技術(shù)通過風(fēng)機(jī)與翅片結(jié)構(gòu)配合就能實(shí)現(xiàn)電子器件冷卻，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的電子器件冷卻方式。

翅片作為空氣強(qiáng)迫對(duì)流冷卻中的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式能夠直接影響整個(gè)裝置的散熱性能，為了提高翅片的散熱性能，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)翅片的散熱性能開展了廣泛的研究[1]。Mir Waqas Alam等[2]提出了一種三角形的微型針翅，數(shù)值模擬研究了這種微型針翅應(yīng)用于CPU冷卻時(shí)的換熱性能；Mohammad Reza Attar等[3]采用化學(xué)方法改變翅片表面粗糙度來提高翅片結(jié)構(gòu)的散熱性能；為了進(jìn)一步提高針翅的散熱性能，Amer Al-Damook等[4]提出了在柱形針翅上打孔，同時(shí)數(shù)值了空氣物性對(duì)翅片散熱性能的影響；尤灝[5]基于固體各向同性材料懲罰法模型的預(yù)設(shè)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)風(fēng)冷散熱翅片進(jìn)行了二維優(yōu)化，有效提高了翅片的散熱能力；曹利民[6]對(duì)離心式CPU散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了各種影響CPU散熱器散熱性能的因素，并提出了優(yōu)化方法；張梁娟與胡柯峰[7]利用flotherm對(duì)某型風(fēng)冷模塊進(jìn)行仿真分析并優(yōu)化了翅片結(jié)構(gòu)，同時(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。由以上分析可知，采用數(shù)值模擬方法分析研究翅片的散熱性能是一種通用的方法，而且相比于平直翅片，針翅具有較好的散熱能力，但是目前對(duì)圓柱形和方柱性針翅研究較多，對(duì)斜柱形翅片研究較少，因此，本文通過對(duì)多種不同結(jié)構(gòu)的針翅進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)對(duì)比分析了不同結(jié)構(gòu)形式針翅散熱能力和流阻特性，為針翅的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型建立及理論分析

1.1 物理模型

翅片散熱器外形結(jié)構(gòu)尺寸：長度120 mm，寬度75 mm，整體厚度13 mm。圖1（a）中所示為平直翅片，翅片厚1.5 mm，高8 mm，長105 mm，圖1（b）所示為針翅結(jié)構(gòu)。針翅的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，各型針翅的針翅間距相同，圓柱針翅的直徑為1.5 mm，方柱針翅與斜柱針翅的厚度H為1.5 mm時(shí)，通過改變?chǔ)戎禐?0 °（即方柱翅片）、75 °、60 °和45 °。

1.2 理論分析

1.2.1 物理假設(shè)

在數(shù)值模擬過程中需做如下假設(shè)：

1）流體為不可壓縮的牛頓流體，流體物性為常數(shù)；

2）忽略粘性耗散、體積力及熱輻射；

3）流體流動(dòng)為湍流；

4）固體為各向同性材料，材料物性為常數(shù)。

1.2.2 控制方程

仿真過程中采用RNG k-ω湍流模型，連續(xù)性方程、能量方程和動(dòng)量方程如下：

圖1 翅片散熱器外形結(jié)構(gòu)

圖2 翅片詳細(xì)結(jié)構(gòu)

其中湍流應(yīng)力與湍流熱通量為：

邊界條件設(shè)定如圖3所示。均勻發(fā)熱源為體積熱源，其厚度為3 mm，材料為紫銅，其他翅片均采用純鋁。材料物性如表1。

1.2.3 求解設(shè)置

仿真過程中對(duì)整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高仿真計(jì)算的準(zhǔn)確度，對(duì)靠近壁面的單元進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格單元數(shù)約為600萬左右，采用基于有限體積法的計(jì)算流體力學(xué)軟件fluent 19.2進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，動(dòng)量和能量方程的離散方式選擇二階迎風(fēng)格式，壓力采用二階格式，采用SIMPLE算法對(duì)控制方程進(jìn)行求解，壓力、密度等亞松弛因子保持默認(rèn)。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 低流速下各型翅片性能分析

假設(shè)均勻發(fā)熱源的體積熱流密度為2.5 e6W/m3，當(dāng)入口速度從1 m/s增加至3 m/s時(shí)，六種翅片結(jié)構(gòu)的熱阻如圖4（a）所示，在入口速度為1 m/s時(shí)，平直翅片的熱阻與其它五種針翅結(jié)構(gòu)的熱阻值非常接近，但是隨著入口速度的增加，五種針翅結(jié)構(gòu)的熱阻越來越小，當(dāng)入口速度為3 m/s時(shí)，五種針翅結(jié)構(gòu)的熱阻值非常接近，均比平直翅片的熱阻約小20 %左右。說明在低流速情況下，針翅結(jié)構(gòu)的換熱效率優(yōu)于平直翅片，但是針翅具體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)翅片的換熱效率影響可以忽略。如圖4（b）所示為入口速度從1 m/s增加至3 m/s時(shí)，六種翅片結(jié)構(gòu)的流阻變化情況，當(dāng)流速為1 m/s時(shí)，平直翅片的流阻與其它五種針翅結(jié)構(gòu)的流阻幾乎相同，隨著入口速度的增加，針翅結(jié)構(gòu)的流阻逐漸大于平直翅片的流阻，其中圓柱針翅結(jié)構(gòu)的流阻最大，45 °斜柱針翅的流阻最小。綜合熱阻變化可以得出，在強(qiáng)迫空氣對(duì)流冷卻電子器件時(shí)，如果來流空氣的速度較低，使用45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)能夠有效提高換熱效率，同時(shí)降低流阻。

圖3 仿真計(jì)算域

表1 材料物性

圖4 低流速下六型翅片的性能

圖5所示為入口速度為3 m/s時(shí)，平直翅片和五種針翅結(jié)構(gòu)中心截面的速度場云圖，其中圓柱針翅中的最大流速明顯低于其他五種翅片結(jié)構(gòu)中的最大流速，這說明圓柱針翅結(jié)構(gòu)的流阻最大，進(jìn)一步說明了在低流速情況下，應(yīng)盡可能采用方柱針翅或斜柱針翅以降低流阻。

2.2 較高流速下各型翅片性能分析

流速的提高能夠進(jìn)一步提高翅片的換熱系數(shù)，降低熱阻，因此，針對(duì)平直翅片及五種針翅結(jié)構(gòu)，將均勻熱源的體積熱流密度從2 e6W/m3提高至5 e6W/m3，當(dāng)翅片結(jié)構(gòu)的入口速度從5 m/s逐漸增加至10 m/s時(shí)，六種翅片結(jié)構(gòu)的熱阻變化如圖6（a）所示，可見針翅結(jié)構(gòu)的熱阻遠(yuǎn)小于平直翅片的熱阻，其中45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)的熱阻最小，當(dāng)入口速度為10 m/s時(shí)，45 °斜柱針翅的熱阻僅為平直翅片熱阻的75 %。但是需要指出的是，六種翅片的流阻變化如圖6（b）所示，45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)的流阻遠(yuǎn)大于其他幾種翅片結(jié)構(gòu)，當(dāng)入口速度為10 m/s時(shí)，45 °斜柱針翅的流阻是平直翅片流阻的4.3倍，是其他針翅結(jié)構(gòu)的2倍多。圖7所示為入口速度為10 m/s時(shí)，平直翅片和其他五種針翅結(jié)構(gòu)中心截面的速度場云圖，由圖7可知，當(dāng)斜柱針翅的角度變?yōu)?5 °時(shí)，針翅間隙中的流速遠(yuǎn)大于其他幾種針翅結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致對(duì)流換熱系數(shù)提高，同時(shí)也增加了流阻。這就說明當(dāng)流速較高時(shí)，電子器件散熱翅片應(yīng)在圓柱針翅、方柱針翅、75 °斜柱針翅和60 °斜柱針翅中進(jìn)行優(yōu)選。

圖5 入口速度為3 m/s時(shí)翅片中心截面速度分布

圖6 較高流速下六型翅片的性能

2.3 不同厚度的45 °斜柱針翅

由前文仿真分析可知，45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)在較高流速下，其熱阻最小，但是流阻較大，在針翅分布結(jié)構(gòu)不變的情況下，改變針翅結(jié)構(gòu)，能夠改變整個(gè)翅片結(jié)構(gòu)的熱阻和流阻，因此基于上述分析，仿真模擬了四種厚度（1 mm、1.25 mm、1.5 mm和1.75 mm）的45 °斜柱針翅在5 m/s至10 m/s入口速度下的熱阻和流阻變化情況，圖8（a）所示為入口速度在5 m/s至10 m/s之間變化時(shí)，四種不同厚度45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻的變化情況，可見，針翅厚度的增加能夠有效降低針翅散熱器的熱阻，當(dāng)入口速度為5 m/s時(shí)，1.75 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻為1 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻的77.4 %。當(dāng)入口速度為10 m/s時(shí)，1.75 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻為1 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻的78 %，即在較高流速下，不同厚度針翅結(jié)構(gòu)的熱阻關(guān)系隨流速變化較小。圖8（b）所示為四種不同厚度45 °斜柱針翅在不同入口速度下的流阻變化情況，可見，隨著入口速度增加，針翅越厚，其流阻越大，而且隨著入口速度增加，越厚的針翅，其流阻增幅越大。當(dāng)入口速度為5 m/s時(shí)，1.75 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)流阻為1 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)流阻的2.75倍。當(dāng)入口速度為10 m/s時(shí)，1.75 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻為1 mm厚45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)熱阻的3.4倍，圖9為入口速度為10 m/s時(shí)，四種不同厚度45 °斜柱針翅結(jié)構(gòu)中心截面的速度場云圖，可見針翅厚度為1.25 mm、1.5 mm和1.75 mm時(shí)，針翅左右的速度分布在沿速度方向并不對(duì)稱，在中間部分發(fā)生偏移，而針翅厚度為1 mm時(shí)，這種現(xiàn)象并不明顯，而且其相鄰針翅間隙中的流速遠(yuǎn)小于其他三種針翅結(jié)構(gòu)，因此其流阻最小。因此可以得出，提高針翅厚度能夠有效提高針翅結(jié)構(gòu)的換熱效率，但是也會(huì)相應(yīng)增加流阻，而且其熱阻的收益遠(yuǎn)小于流阻的付出。因此在針翅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在滿足熱控需求下，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加工工藝等情況下，選用較薄的針翅結(jié)構(gòu)。

圖7 入口速度為10 m/s時(shí)翅片中心截面速度分布

圖8 較高流速下四型翅片的性能

圖9 入口速度為10 m/s時(shí)翅片中心截面速度分布

3 結(jié)論

1）相比于平直翅片，針翅具有更小的熱阻，能夠有效提高電子器件的散熱效率；

2）相比于圓柱針翅、方柱針翅、75 °斜柱針翅和60 °斜柱針翅，45 °斜柱針翅的熱阻最小，同時(shí)其流阻也最大，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，電子器件散熱翅片應(yīng)在圓柱針翅、方柱針翅、75 °斜柱針翅和60 °斜柱針翅中進(jìn)行優(yōu)選；

3）提高針翅翅片的厚度能夠有效降低熱阻，但是其流阻增加幅度更大，因此在針翅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)在滿足熱控需求下，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加工工藝等情況下，選用較薄的針翅結(jié)構(gòu)。