翅片式液冷板強化換熱研究

馮學(xué)文,朱單單,陳 勇

(貴州永紅換熱冷卻技術(shù)有限公司,貴州 貴陽 550000)

0 引言

隨著電子元器件的外形尺寸日益減小,集成度越來越高,以及其功率密度日益增大[1-2],電子元器件的散熱問題已成為行業(yè)研究的熱點。據(jù)統(tǒng)計,55%功率元件的損壞是因為溫度超高而引發(fā)的[3]。因此,采用何種形式的散熱以保證電子元器件長期穩(wěn)定運行,已成為電子設(shè)備可靠性中必須考慮的環(huán)節(jié)。

電子元器件功率密度的逐漸增加,其散熱形式已從傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱器過渡到液冷板冷卻。2019年許時杰[4]對蛇形液冷板的散熱效果與壓力損失進行研究。2021年蔡森林[5]建立液冷式鋰電池組冷卻系統(tǒng)仿真模型,通過仿真分析表明,在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后液冷板流動阻力降低12.5 kPa,電池組溫差降幅約0.26 ℃左右。2022年張林[6]設(shè)計并優(yōu)化了一種新型液冷板,并指出優(yōu)化后液冷板在平均溫度下降11%的情況下,壓降僅增加了3.3 Pa。2022年趙亮等人[7]研究3D打印微通道液冷板時得出微通道液冷板能滿足熱流密度50 W/cm2的散熱器需求。

縱觀目前有關(guān)液冷板散熱的研究,液冷板內(nèi)部流道絕大多數(shù)采用肋片式結(jié)構(gòu),對于翅片式液冷板的研究較少。本文使用計算流體力學(xué)(CFD)的方法對翅片式液冷板(本文中由直通形翅片構(gòu)成的液冷板簡稱直通形液冷板、由鋸齒形翅片構(gòu)成的液冷板簡稱鋸齒形液冷板)的強化換熱進行研究,通過分析液冷板平均傳熱熱阻Rave、平均傳熱系數(shù)have、流阻來評價液冷板散熱能力及流阻特性,為液冷板的強化換熱設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 計算模型

1.1 液冷板結(jié)構(gòu)及模型

液冷板外形尺寸為100 mm×60 mm×5 mm。其中發(fā)熱區(qū)域為90 mm×54 mm,在發(fā)熱區(qū)域正下方布置有散熱翅片,如圖1所示,流體沿著翅片從左往右流動(圖1(b))。

圖1 液冷板外形圖及流道示意圖

液冷板所用翅片類型為直通形和鋸齒形翅片,兩種翅片高度、長度、波距及料厚均相同,三維數(shù)模如圖2所示。

圖2 散熱翅片類型

1.2 數(shù)學(xué)模型及控制方程

計算時控制方程可以寫成如下形式。

(1)質(zhì)量方程:

(1)

(2)動量方程:

(2)

(3)能量方程:

(3)

其中,ρ1為冷卻液密度;u為冷卻液速度;μ為冷卻液動力粘度;p為冷卻液的壓力;Cpl為冷卻液比熱容;λ1為冷卻液導(dǎo)熱系數(shù)。

液冷板的平均傳熱熱阻Rave作為評價散熱效果好壞的指標(biāo)之一,其計算公式如下:

Rave=(Ts.ave-Tf.ave)/Q

(4)

式中,Rave為平均傳熱熱阻,k/W;Tf.ave為流體的平均溫度,k;Q為發(fā)熱量,W。

液冷板平均傳熱系數(shù)have計算公式如下:

have=Q/A/(Ts.ave-Tf.ave)

(5)

其中,A表示傳熱面積,m2。

1.3 邊界條件

邊界條件如下:

(1)發(fā)熱量:972 W;

(2)發(fā)熱區(qū)域:90 mm×54 mm;

(3)介質(zhì):50%冷卻液;

(4)出口壓力:101325 Pa;

(5)流量:10 L/min、15 L/min、20 L/min;

(6)初始溫度:25 ℃;

(7)材料:鋁合金3003,導(dǎo)熱系數(shù)170 W/m/K。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性

使用Flow simulation 進行計算分析,在進行模擬分析時做如下假設(shè):1)忽略發(fā)熱模塊對周圍環(huán)境的散熱,包括輻射換熱和對流散熱;2)忽略發(fā)熱模塊與液冷板表面間的接觸熱阻;3)液冷板出口壓力為大氣壓力101325 Pa;4)液冷板粗糙度為0 μm。

在進行計算分析之前,對網(wǎng)格無關(guān)性進行驗證,根據(jù)表1可知,網(wǎng)格數(shù)量在從150余萬增加到200余萬時,液冷板表面最大溫度變化為1%<5%,故可認為在網(wǎng)格數(shù)量150萬下計算結(jié)果已收斂,網(wǎng)格無關(guān)性得到驗證,考慮到計算需要,因此后續(xù)采用網(wǎng)格1進行分析。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 液冷板形狀對表面溫度的影響

圖3為在不同流量下,直通形液冷板的表面溫度分布圖。由表面溫度分布圖可知,隨著流量的增加,液冷板散熱效果逐漸增強,具體表現(xiàn)為:流量10 L/min增加到20 L/min時,液冷板表面最大溫度從48.45 ℃降低至45.49 ℃,相差2.96 ℃;最小溫度從26.85 ℃降低至25.86 ℃,相差0.99 ℃,這是由于流量增加,流體在液冷板內(nèi)的流速相應(yīng)增加,從而提高對流換熱系數(shù),因而液冷板表面溫度降低。

圖3 直通形液冷板表面溫度分布

圖4為在不同流量下,鋸齒形液冷板的表面溫度分布圖。隨著流量增加,鋸齒形液冷板跟直通形液冷板的表面溫度變化趨勢一致。但是在相同流量下,鋸齒形液冷板表面溫度遠遠低于直通形液冷板,表面最大溫度要低9.09～9.17 ℃;這是由于盡管直通形散熱翅片跟鋸齒形散熱翅片具有相同的散熱面積,但是鋸齒形翅片在流動方向有錯位切口,起到破壞流動邊界層的作用,從而達到強化換熱的目的[8]。

圖4 鋸齒形液冷板表面溫度分布

2.2 液冷板形狀對平均傳熱熱阻Rave的影響

圖5 液冷板平均熱阻

平均傳熱熱阻Rave是評價傳熱性能優(yōu)劣的指標(biāo)之一。在忽略接觸熱阻的情況下,該值是流體對流換熱熱阻、固體導(dǎo)熱熱阻的綜合值。本研究中Rave通過公式(4)進行計算,其值通過有限元模擬計算獲得。圖5為直通形液冷板和鋸齒形液冷板的平均傳熱熱阻曲線圖。由圖可知,隨著流量的增加,兩種液冷板平均傳熱熱阻均逐漸降低,變化趨勢基本一致,這是由于流量的增加,液冷板內(nèi)部流速增加從而強化對流換熱。然而,相比直通形液冷板,鋸齒形液冷板平均傳熱熱阻要低得多, 如當(dāng)流量為10 L/min時,直通形液冷板的平均傳熱熱阻為0.0184 K/W,而鋸齒形液冷板平均傳熱熱阻為0.0118 K/W,降低了35.9%;當(dāng)流量為20 L/min時,鋸齒形液冷板的平均傳熱熱阻最小,其值為0.009 K/W。

2.3 液冷板形狀對平均傳熱系數(shù)have的影響

平均傳熱系數(shù)是評價散熱效果好壞的指標(biāo)之一,該值越大則表示散熱效果越好,反之亦然。圖6為液冷板平均傳熱系數(shù)曲線,由圖可知,隨著流量的增加,平均傳熱系數(shù)增加,這表明散熱得到強化,此外,在相同流量下,鋸齒形液冷板具有更高的平均傳熱系數(shù),最高可達4169 W/m2·K,這是由于其錯位切口使對流換熱系數(shù)得到強化所致[8],具體表現(xiàn)為:鋸齒形液冷板的平均傳熱系數(shù)比直通形液冷板高61%～79%。

圖6 液冷板平均傳熱系數(shù)

2.4 液冷板形狀對內(nèi)部流速的影響

圖7和圖8分別為不同流量下直通形液冷板及鋸齒形液冷板內(nèi)部流動速度分布圖。由速度分布圖可知,兩種液冷板內(nèi)部流速隨流量增大而增大。此外,在相同流量下鋸齒形液冷板內(nèi)部流速更高,如當(dāng)流量為20 L/min時,鋸齒形液冷板的內(nèi)部流速最高達到了5.283 m/s,較直通形增加了25.2%。這是由于鋸齒形翅片切口具有擾流作用,從而提高整體流速。

圖7 直通形液冷板內(nèi)部流速分布

圖8 鋸齒形液冷板內(nèi)部流速分布

2.5 液冷板形狀對內(nèi)部流阻的影響

圖9和圖10分別為不同流量下直通形液冷板及鋸齒形液冷板內(nèi)部流線云圖。由圖可知,液冷板的進口壓力隨著流量的增大而增大,這是流量增加導(dǎo)致流速增加,從而液冷板內(nèi)流阻增大,因而進口壓力升高。此外,在相同流量下,鋸齒形液冷板流阻較直通形液冷板高6.57～25.4 kPa。

圖9 直通形液冷板壓力跡線圖

圖10 鋸齒形液冷板壓力跡線圖

綜上所述,通過模擬計算,鋸齒形液冷板平均傳熱熱阻Rave、平均傳熱系數(shù)have、流阻明顯優(yōu)于直通形液冷板,即鋸齒形液冷板散熱能力及流阻具有較大優(yōu)勢,該研究為液冷板的換熱設(shè)計提供指導(dǎo)。因此,在進行液冷板設(shè)計時,如果流阻指標(biāo)尚有富余,可采取使用鋸齒形翅片以達到提高液冷板散熱性能的目的。

3 結(jié)論

本文采用Flow simulation對不同散熱翅片類型制成的液冷板傳熱及阻力特性進行研究,可得出以下結(jié)論:

1)在相同流量,鋸齒形液冷板表面溫度遠遠低于直通形液冷板,表面最大溫度要低9.09～9.17 ℃;

2)當(dāng)流量為10 L/min時,直通形液冷板的平均傳熱熱阻最大,其值為0.0184 K/W;當(dāng)流量為20 L/min時,鋸齒形液冷板的平均傳熱熱阻最小,其值為0.009 K/W;

3)在相同流量下,鋸齒形液冷板平均傳熱系數(shù)最高可達4169 W/m2·K,此外,鋸齒形液冷板的平均傳熱系數(shù)比直通形液冷板高61%～79%;

4)在相同流量下,鋸齒形液冷板流阻較直通形液冷板高6.57～25.4 kPa;