微小流道冷板換熱性能研究

張 星

(南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司,江蘇 南京 211100)

0 引 言

隨著電子器件、電子信息系統(tǒng)的發(fā)展,芯片、組件等器件的熱流密度越來越高,部分器件的熱流密度從100 W/cm2增加到1 000 W/cm2。為確保電子器件工作在合適的溫度范圍內(nèi),需要采用微小通道液冷、兩相流等高效冷卻方式進(jìn)行冷卻[1]。冷板是電子設(shè)備間接液冷系統(tǒng)的核心部件,微小流道冷板因流速高、對流換熱面積大,散熱能力比常規(guī)流道強(qiáng),較多地使用在高熱流密度冷卻場合。對于多熱點(diǎn)電子器件、設(shè)備液冷冷板散熱,目前控制熱源溫度和均溫性主要根據(jù)不同器件的熱耗分布,結(jié)合串聯(lián)、并聯(lián)流道設(shè)計(jì),精確控制各點(diǎn)的流量分布,同時(shí)在高熱流密度局部疊加強(qiáng)化換熱微小流道結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)最佳換熱性能[2]。

冷板流道結(jié)構(gòu)對流體流動和換熱性能影響較大,在冷板內(nèi)部流道增加擾流柱可以顯著提高冷板的傳熱能力。李紀(jì)元等[3]對不同擾流柱結(jié)構(gòu)冷板傳熱性能進(jìn)行了研究,從降低熱源溫度和流阻角度進(jìn)行冷板擾流柱設(shè)計(jì),水滴柱擾流結(jié)構(gòu)冷板相較于無擾流冷板,散熱效果提高了60%左右。張甫仁等[4]研究了不同的通道與陣列翅片組合形式、進(jìn)出口寬度、翅片大小和上下冷卻槽間距對電池?zé)峁芾淼挠绊?。余小玲等[5]設(shè)計(jì)了一種基于S型槽道結(jié)構(gòu)并在其中內(nèi)置分流片的新型冷板,研究表明在相同進(jìn)口流速的情況下,新型冷板具有更好的流動換熱性能。現(xiàn)有冷板換熱性能的研究大都是通過數(shù)值模擬以及試驗(yàn)測試的方法對散熱能力進(jìn)行分析,得到冷板不同流道結(jié)構(gòu)形式對散熱性能的影響[6-12]。

為進(jìn)一步提高換熱性能,降低熱阻,本文對冷板微通道結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究,采用串并聯(lián)、微小通道與常規(guī)通道相結(jié)合的形式,綜合仿真對比微小流道區(qū)域矩形長直流道、圓形擾流柱、菱形擾流柱3種流道結(jié)構(gòu)形式在流動特性、換熱特性方面的差異,為冷板優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

1 模型建立

1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算

忽略環(huán)境輻射,根據(jù)能量守恒,當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí),電子器件的發(fā)熱轉(zhuǎn)化為循環(huán)冷卻液體的溫升和冷板自然散熱兩部分:

(1)

(2)

一般取T2-T1=5 ℃,根據(jù)公式(1)可以確定液體流量。

1.2 幾何模型

某集成冷板的正、反面外形及器件分布如圖1和圖2所示,電子器件通過基板或直接貼裝在冷板表面。冷板三維示意圖如圖3所示,冷板采用兩進(jìn)兩出,冷卻液從進(jìn)液口進(jìn)入冷板進(jìn)行強(qiáng)迫液冷,帶走電子器件熱耗,再由出液口流出冷板。通過冷板散熱保持電子設(shè)備在可靠的工作范圍內(nèi),同時(shí)保證同類器件的均溫性。

圖1 冷板正面

圖2 冷板反面

圖3 冷板三維示意圖

1.3 流道設(shè)計(jì)

集成冷板具體熱點(diǎn)分布及功耗大小如圖 4所示,冷板前端正反面布置總功耗1 920 W的小體積芯片,單個(gè)芯片熱流密度達(dá)到140 W/cm2。冷板總熱耗超3 000 W。根據(jù)熱源熱耗大小及分布,主流道及小功耗器件區(qū)域采用常規(guī)流道,高熱流密度器件區(qū)域采用寬高為1 mm×1.5 mm的微小流道強(qiáng)化換熱,并采用串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)合的方式合理分配、控制各區(qū)域流量[13]。在高熱流密度區(qū)域分別設(shè)計(jì)矩形長直流道、圓柱形擾流柱、菱形擾流柱3種微小流道結(jié)構(gòu)形式。

圖4 冷板熱點(diǎn)分布

根據(jù)器件熱耗及分布進(jìn)行冷板流道設(shè)計(jì)。如圖5所示,采用矩形微小通道與常規(guī)通道串、并結(jié)合的方法,合理控制不同發(fā)熱器件安裝區(qū)域的溫升并有效降低流阻,并對微小通道進(jìn)行截?cái)嘣O(shè)計(jì),在強(qiáng)化傳熱的同時(shí),釋放了微小通道區(qū)域流道堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 矩形流道冷板

如圖6所示,熱流密度較高區(qū)域采用圓形繞流柱微流道,通過圓柱擾流破壞溫度邊界層,增強(qiáng)對流換熱系數(shù),達(dá)到局部強(qiáng)化換熱的效果。

圖6 圓形擾流柱冷板

如圖7所示,在熱流密度較高區(qū)域采用菱形繞流柱微流道,通過菱形擾流,破壞溫度邊界層,增強(qiáng)對流換熱系數(shù),達(dá)到局部強(qiáng)化換熱的效果。在流道保持同一間隙和深度下,對比圓柱擾流和菱形擾流的換熱效果。

圖7 菱形擾流柱冷板

2 傳熱數(shù)值模型

冷卻液的入口溫度取40 ℃,出口壓力默認(rèn)為1個(gè)大氣壓,發(fā)熱器件為恒定熱流,約為3 000 W。為簡化分析,作以下假設(shè)[14]:

(1) 冷卻液為不可壓縮液體,密度恒定不變;液體、固體區(qū)域的熱物理性質(zhì)是恒定的。

(2) 入口設(shè)置為體積流量入口,出口設(shè)置為壓力出口。

(3) 冷卻液的流量和電子器件的熱量在傳熱過程中穩(wěn)定不變。

(4) 忽略熱輻射,冷板與空氣接觸為自然對流,對流傳導(dǎo)率為4 W/m2。

(5) 忽略重力和黏性耗散。

對流體微元體建立質(zhì)量方程如下:

▽·(ρu)=0

(3)

動量方程:

(u·▽)ρu=-▽P+μ▽2u

(4)

能量方程:

(5)

式中:▽為遷移導(dǎo)數(shù);ρ為冷卻液密度;u為冷卻液流速;μ為冷卻液動力粘度;P為冷卻液壓力;λ為冷卻液導(dǎo)熱系數(shù);Cp為冷卻液比熱容。

3 仿真計(jì)算與分析

3.1 仿真模型

采用固液耦合流體仿真計(jì)算,建立仿真模型,建立流體域,在流固接觸面進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。圖8～圖10分別為3種流道結(jié)構(gòu)冷板的流體域。

圖8 矩形流道冷板流體域

圖9 圓形擾流柱冷板流體域

圖10 菱形擾流柱冷板流體域

3.2 仿真邊界條件

根據(jù)公式(1),計(jì)算得到單塊冷板的流量。設(shè)定集成冷板入口體積流量為11.2 L/min,冷卻介質(zhì)為65#航空冷卻液,供液溫度為40 ℃;集成冷板所處環(huán)境溫度為50 ℃。

在同一邊界條件下,針對矩形流道、圓形擾流柱、菱形擾流柱3種流道集成冷板分別進(jìn)行流熱仿真計(jì)算,對比分析3種流道結(jié)構(gòu)的流動和傳熱特性。

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 傳熱特性

圖 11為矩形流道冷板表面溫度云圖,冷板表面最高溫度為88.5 ℃,高熱流密度芯片區(qū)域均溫性為 10 ℃。

圖11 矩形流道冷板表面溫度云圖

圖12為圓形擾流柱流道冷板表面溫度云圖,冷板表面最高溫度為66.2 ℃,高熱流密度芯片區(qū)域均溫性為7 ℃。

圖12 圓形擾流柱冷板表面溫度云圖

圖13為菱形擾流柱流道冷板表面溫度云圖,冷板表面最高溫度為64.7 ℃,高熱流密度芯片區(qū)域均溫性為2.3 ℃。

3.3.2 流動特性

圖14為矩形流道冷板內(nèi)部流體壓力分布圖,入口處靜壓為279 005 Pa,出口處靜壓為101 325 Pa,流動阻力為1.78×105Pa。

圖14 矩形流道冷板內(nèi)部流體壓力分布

圖15為圓形擾流柱流道冷板內(nèi)部流體壓力分布圖,入口處靜壓為278 869 Pa,出口處靜壓為101 325 Pa,流動阻力為1.77×105Pa。

圖15 圓形擾流柱冷板內(nèi)部流體壓力分布

圖16為菱形擾流柱流道冷板內(nèi)部流體壓力分布圖,入口處靜壓為282 718 Pa,出口處靜壓為101 325 Pa,流動阻力為1.8×105Pa。

圖16 菱形擾流柱冷板內(nèi)部流體壓力分布

3.4 對比分析

根據(jù)仿真結(jié)果,對矩形流道、圓形擾流柱、菱形擾流柱3種流道集成冷板表面最高溫度、同類器件均溫性、流動阻力指標(biāo)進(jìn)行對比,如表1所示。菱形擾流柱取得最低的冷板表面最高溫度為64.7 ℃,散熱效果提高了27%左右,并且同類器件均溫性最好,約為2.3 ℃。3種結(jié)構(gòu)形式的流道流動阻力基本相當(dāng)。

表1 不同流道結(jié)構(gòu)冷板換熱性能對比

4 結(jié)束語

針對高熱流密度電子器件散熱問題,提出了一種串、并聯(lián)結(jié)合的微小通道散熱集成冷板,根據(jù)電子器件分布及功耗大小對冷板流道進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過簡化傳熱數(shù)值模型,對3種流道結(jié)構(gòu)冷板進(jìn)行熱流仿真計(jì)算,并對比分析了換熱性能和流動性能,得出以下結(jié)論:

(1) 在同一邊界條件下,冷板表面溫度、同類器件均溫性受流道結(jié)構(gòu)形式影響較大。菱形繞流柱換熱效果最佳,流體流經(jīng)菱形擾流柱,產(chǎn)生擾流,在流體未充分發(fā)展前破壞溫度邊界層,從而強(qiáng)化換熱。使用菱形擾流柱形式的微流道與矩形流道相比,最高溫度降低23.8 ℃,均溫性減小7.7 ℃。

(2) 菱形繞流柱微小流道冷板能解決熱流密度140 W/cm2器件散熱問題,滿足冷板表面最高溫度≤65 ℃,均溫性≤2.5 ℃的技術(shù)要求。