基于正交試驗的液冷板散熱性能的研究

趙如意

（常州工學院，江蘇 常州 213127）

0 引言

現(xiàn)階段，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子設備廣泛應用在軍工、航空及船舶等眾多領域。新一代軍用設備的設計更趨于大功耗、小型化、輕量化。由于軍用設備復雜的工作環(huán)境，要求這些電子產(chǎn)品具備大容量的數(shù)據(jù)處理功能及較高的數(shù)據(jù)處理效率[1]。相應地，電子產(chǎn)品單位面積上產(chǎn)生的熱量會急劇增大，導致其長期處于一種惡劣的高溫環(huán)境中。因此，散熱結(jié)構(gòu)的設計是確保設備持續(xù)可靠工作的必要環(huán)節(jié)。液冷板因其良好的換熱能力成為軍工生產(chǎn)領域較常用的散熱方法。

近年來，提升液冷板散熱性能的研究方案受到了眾多學者的關(guān)注。文獻[2]通過數(shù)值模擬，探究3種并串聯(lián)結(jié)構(gòu)的流道布局對冷板冷卻性能和壓降損失的影響；文獻[3]對比常規(guī)蛇形流道與微流道冷板結(jié)構(gòu)的換熱能力，發(fā)現(xiàn)微流道冷板的流阻相對較大，但其散熱效果優(yōu)于常規(guī)蛇形流道幾倍；文獻[4]通過對設計的液冷板流道進行理論校核和仿真模擬，從而驗證流道設計的合理性；文獻[5]控制流道截面積不變，提出了矩形、圓形及雙層流道這3種冷板結(jié)構(gòu)，并對其進行仿真計算和試驗分析。本文根據(jù)電子元器件的排布及功率大小，設計出一種帶肋片小通道的冷板流道形狀。利用仿真軟件分析小通道肋片尺寸參數(shù)對冷板散熱性能的影響，并通過正交試驗求解出最優(yōu)肋片尺寸。

1 液冷板的散熱結(jié)構(gòu)設計

以某軍用電子設備為例，該設備的工作環(huán)境溫度為40 ℃，材料為6061-T4鋁，最大外形尺寸為380 mm×250 mm×10 mm。為確保仿真的準確度，在不影響散熱路徑的前提下，修復各種倒角、螺釘螺母及不規(guī)則形狀[6]，模型簡化如圖1所示。模塊正面共有13個熱源，總發(fā)熱量為582 W。分別對上述熱源進行熱流密度計算，結(jié)果顯示中間8個圓形熱源為高熱流密度區(qū)，熱流密度最大為50÷（3.14×102）=15.92 W/cm2，故采用液冷散熱方式。

圖1 液冷板三維簡化模型

根據(jù)冷板表面的熱源位置進行內(nèi)部流道走向設計，和直線型流道相比，S型流道結(jié)構(gòu)影響了冷卻液的流動方向，從而導致對流換熱系數(shù)增大，一定程度上提高了冷板的散熱性能[7]。為加速高熱流密度區(qū)的散熱效率，在其正下方流道處增加帶肋片小通道，如圖2所示。該冷板主流道寬為8 mm，高為4 mm，肋片間距為2.5 mm，厚度為3 mm，長度為110 mm，進口流量為2 L/min。

圖2 流道結(jié)構(gòu)圖

2 小通道液冷板的散熱仿真模擬

2.1 數(shù)值計算

利用ICEPAK軟件打開STEP格式的三維冷板模型，按照技術(shù)要求分別設置熱源對應的功率大小。進出口各設置1個opening，環(huán)境溫度設置為40 ℃，冷板材料設置為Al 6061-T4。由于本文設計的液冷板主要用于特定的軍用設備散熱，故冷卻液選擇乙二醇溶液，既可防凍，又能更好地適應各種復雜工作環(huán)境，設置流量為2 L/min，關(guān)閉熱輻射，流動方式為湍流。參數(shù)設置完后進行網(wǎng)格劃分，Mesh type選擇Mesh-HD的網(wǎng)格類型，其他參數(shù)按默認設置。

2.2 仿真結(jié)果分析

液冷板熱仿真結(jié)果如圖3所示。其中圖3（a）是冷板表面溫度云圖：冷卻液從冷板的左側(cè)進口流入，右側(cè)出口流出，因此進出口的溫度較低。整個冷板表面的最高溫度為65.0 ℃，主要熱量集中在中間8個熱源區(qū)域，冷板表面最低溫度為42.0 ℃，板面最高溫與最低溫相差23.0 ℃，中間8個熱源區(qū)域的最大溫差接近3.6 ℃。圖3（b）是冷板流道的壓力云圖，冷板流道最大壓力為19 458.5 Pa，在冷卻液進口處。沿著流道的走向，每經(jīng)過一個90°拐角，壓力值迅速減小，直至出口處，壓力降為0。

圖3 小通道液冷板仿真結(jié)果

2.3 無小通道液冷板的散熱性能對比

保證流道橫截面積不變，將中間熱源區(qū)域的小通道結(jié)構(gòu)去除，建立無小通道液冷板三維模型，設置相同的邊界參數(shù)和熱功耗，進行模擬分析。結(jié)果如圖4所示，冷板中心區(qū)域溫度最高為72.4 ℃，最大溫差接近6.2 ℃，最大壓力為31 802.3 Pa。對比圖3和圖4的溫度云圖，在邊界參數(shù)不變的情況下，小通道冷板表面最高溫度比無小通道冷板表面最高溫度降低了10%，由此可見增加小通道后的液冷板散熱性能顯著提高。

圖4 無小通道液冷板仿真結(jié)果

3 影響小通道散熱性能的因素研究

肋片是小通道流道的主要結(jié)構(gòu)，其尺寸設計能直接影響液冷板的散熱性能及流阻。雖然小通道冷板的換熱性能較高，但是由于流道散熱面積的減小，同時會出現(xiàn)壓力過大的問題。故在設計小通道結(jié)構(gòu)時需綜合考慮多種因素，如散熱能力、壓降、加工工藝等。控制冷板外形和流道走向不變，對小通道肋片尺寸參數(shù)進行分析優(yōu)化。

3.1 肋片間距單因素影響分析

采用控制變量法，保證其他參數(shù)不變，只改變肋片間距進行仿真計算，結(jié)果如圖5（a）所示，在流道高度和肋片厚度一定的條件下，相鄰肋片之間的距離越大，冷板表面的溫度越高，流道熱阻越小。說明肋片間距的過度增加并不有利于冷板的散熱性能。肋片間距的增加導致冷板中心熱源區(qū)域的流道數(shù)減少，流道的換熱面積與冷板整體面積的占比也隨之減小，因此冷板表面溫升增大，總體的換熱效率降低。當冷卻液的流動范圍一定時，常常會通過減小肋片間距來控制肋片的數(shù)量，以此保證冷板的散熱性能。

3.2 肋片厚度單因素影響分析

其他參數(shù)保證不變，只改變肋片厚度。計算結(jié)果如圖5（b）所示，冷板表面溫度隨著肋片厚度的增加而先下降到最小值、隨后呈上升趨勢。肋片是沿著高度方向進行熱傳導，肋片厚度在1.5～2.5 mm之間，肋片厚度越大，肋片底部的熱量傳遞到肋片中間速度越快，冷板的散熱性能提高。當肋片厚度大于2.5 mm時，同等流動空間內(nèi)肋片數(shù)量繼續(xù)減少，流道的換熱面積減小，散熱性能反而降低。由此可見，肋片厚度尺寸有一個相對最優(yōu)解，范圍在2.0～2.5 mm之間，后續(xù)優(yōu)化方案將參考此原則。

3.3 進口流量單因素影響分析

其他參數(shù)保證不變，只改變進口處冷卻液的流量。計算結(jié)果 如 圖5（c）所示，流量從1 L/min 到5 L/min，最高溫的差距越來越小。冷板表面溫度隨著流量的增大而減小，說明冷板的冷卻效果逐漸增加，但壓降呈逐漸上升趨勢。冷卻液流量小于3 L/min時，單位時間內(nèi)的冷卻液隨著流量的增加而增加，冷板的散熱性能得以提高，但是冷板自身熱阻影響了熱量的傳遞速度，導致熱量無法及時傳遞給冷卻液，因此當流量大于3 L/min時，趨勢逐漸緩慢，散熱性能沒有很大提高。

圖5 散熱性能單因素影響分析

4 基于正交實驗法的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度的影響分析

通過上文單因素影響分析，可以發(fā)現(xiàn)肋片間距、厚度、進口流量都影響著冷板的散熱性能。實際應用中，如果流道結(jié)構(gòu)參數(shù)設計得不好，很有可能會影響元器件的正常工作。針對以上問題，利用正交試驗[8-9]求解出肋片的最佳組合尺寸。本次試驗從上文單因素分析結(jié)果中選取了3個水平，如表1所示。

表1 影響因素水平表

查詢L9（34）正交試驗表來安排三因素三水平的試驗方案，如表2所示。表中含有9組不同的小通道結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸組合，分別建立9種不同的冷板三維模型并進行熱仿真分析，得出的冷板表面最高溫度如表2最后一列所示。

表2 試驗方案和結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，肋片間距L的三水平各自所對應的平均數(shù)K1、K2、K3并不相等，說明L因素能影響冷板的試驗結(jié)果。根據(jù)K2＜K3＜K1，可以判斷L2是L因素的優(yōu)水平。同樣，D2、Q3分別是D、Q的優(yōu)水平。R是各列因素的極差。根據(jù)RQ＞RD＞RL，可以判定進口流量最能影響冷板的散熱性能，而肋片間距影響最小。

結(jié)合以上試驗結(jié)果分析，最終冷板流道尺寸定為：主流道寬為8 mm，高為4 mm，肋片間距為3 mm，厚度為2.5 mm，長度為110 mm，進口流量為3 L/min。重新建立冷板三維模型，進行仿真數(shù)值計算，結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化后的冷板表面溫度有所降低。

圖6 優(yōu)化后的冷板溫度云圖

5 結(jié)論

利用ICEPAK仿真軟件，模擬分析了小通道冷板和普通S型流道冷板的散熱情況和壓降損失。同時又分別研究了小通道肋片間距、厚度及進口流量對冷板表面溫度、流道壓降的影響，結(jié)論如下：

1）在流道橫截面積相等的條件下，小通道冷板表面最高溫度降低了10%，其散熱性能明顯優(yōu)于普通S型流道冷板。

2）通過單因素影響研究，可以發(fā)現(xiàn)肋片間距、厚度、進口流量都影響著冷板的散熱性能和壓降損失。根據(jù)正交試驗的極差值，判斷出進口流量最能影響冷板的散熱性能，而肋片間距影響最小。

3）在進行電子設備散熱設計時，溫度并非越低越好。要綜合考慮多方面因素的影響，如散熱能力、加工工藝和壓降等。