電子元件中板翅式散熱器梯形翅片的優(yōu)化研究

王玉坤,劉吉營,吳小虎

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院,山東 濟南 250101;2.山東高等技術(shù)研究院,山東 濟南 250101)

0 引 言

在當今社會,隨著電子設(shè)備的快速發(fā)展,電子元件的應(yīng)用也滲透到社會各個領(lǐng)域。然而,當電子元件處于工作狀態(tài)時,會不可避免的產(chǎn)生大量熱量。因此,需要合適的冷卻設(shè)備來對其進行散熱。在當下的電子元件芯片冷卻設(shè)計中,空氣冷卻是最廣泛、最實用、最可靠也最容易實現(xiàn)的方法[1],而翅片式散熱器空氣冷卻是比較主流的冷卻方式[2-3]。其工作原理是由翅片中的散熱片與流動流體進行對流換熱,從而冷卻電子設(shè)備中的芯片,達到給電子設(shè)備降溫的效果。隨著電子芯片功率的逐漸增大,傳統(tǒng)的矩形直翅片散熱器已經(jīng)不能滿足當前的散熱要求。因此,許多研究人員致力于從各種方面優(yōu)化板翅式散熱器的結(jié)構(gòu),提高散熱效率。在導(dǎo)熱系數(shù)方面的研究中,部分研究人員通常采用高導(dǎo)熱填充材料,如泡沫金屬材料[4]、石蠟相變材料[5]和RT-35HC相變材料[6]等來優(yōu)化散熱器擴散熱阻,提升散熱能力。

此外,還可通過改變翅片的幾何形狀來優(yōu)化翅片設(shè)計。王成明等[7]在板式翅片散熱器的基礎(chǔ)上,通過增加不同數(shù)量和半徑的半圓柱肋片,構(gòu)造了不同結(jié)構(gòu)的半圓柱板翅片散熱器,并通過數(shù)值分析的方法對兩種散熱器的流動和傳熱性能進行了研究。結(jié)果表明,相比板翅片散熱器,半圓柱板翅片散熱器的熱阻降低,壓降增加,但其綜合性能遠好于板翅片散熱器。Jeon和Byon[8]研究了一種雙高翅片輪廓的板翅式散熱器,并分析了雙高度配置(主翅片和次翅片的高度)、翅片間距和通道長度對散熱器熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)采用自然對流的板翅式散熱器雙高配置可以提高散熱器的熱性能。馮旭[9]研究了一種新型開縫翅片散熱器結(jié)構(gòu),并分析了開縫高度、寬度和個數(shù)對散熱的影響。在這種結(jié)構(gòu)能減材加工的前提下,得到了最佳開縫高度、寬度和個數(shù),該散熱器結(jié)構(gòu)比原始傳統(tǒng)散熱器具有更優(yōu)異的散熱性能。楊號南等[10]通過研究五種不同的翅片形狀,即比較橢圓形翅片、二次函數(shù)翅片、三角函數(shù)翅片、三角形翅片、矩形翅片的傳熱效率,根據(jù)各自的散熱性能和經(jīng)濟性,發(fā)現(xiàn)三角形截面翅片散熱器的散熱性能最好。Ledezma和Bejan[11]討論了板翅頂部不同傾斜角度的散熱器熱性能。研究結(jié)果表明,頂部傾斜的翅片熱導(dǎo)率最高。當翅片頂部傾斜以使其面向接近的流體時,散熱器的總熱導(dǎo)率會增加。另外,穿孔也是改變翅片形狀的另一大主要形式,穿孔可分為正穿孔和側(cè)穿孔。研究人員多次分析了正穿孔(矩形[12]、三角形和圓形[13])和側(cè)穿孔(矩形[14]、圓形[15]和三角形[16])的不同形狀對散熱器的影響。發(fā)現(xiàn)正穿孔和側(cè)穿孔都能夠顯著提升散熱器的散熱效率。

通過上述文獻綜述發(fā)現(xiàn),對翅片形狀的研究大多都是在直翅片散熱器的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。而在近幾年的研究中發(fā)現(xiàn),梯形翅片比起矩形直翅片,是成本較低且散熱較好的更優(yōu)選擇[17-18]。因此,研究人員開始在梯形翅片的基礎(chǔ)上對翅片結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。Singh等[19]研究了一種在梯形橫截面翅片上穿矩形方孔的形式,并分析了不同穿孔大小、數(shù)量以及雷諾數(shù)對換熱的影響。結(jié)果顯示,傳熱系數(shù)隨厚度比的減小而增大,隨穿孔數(shù)和方形穿孔尺寸的增大而增大。Kundu和Das[20]研究了縱向矩形翅片、縱向梯形翅片、徑向矩形翅片和徑向梯形翅片四種不同的翅片陣列。并分析了翅片與主表面不同導(dǎo)熱系數(shù)、翅片表面換熱系數(shù)與翅片間距對傳熱的影響,優(yōu)化了單個翅片和翅片陣列的性能參數(shù)。周光輝等[21]研究了一種雙梯形百葉窗翅片結(jié)構(gòu),并對其進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相對傳統(tǒng)矩形換熱器,雙梯形翅片結(jié)構(gòu)使較多的空氣流體沖刷翅片表面,增強空氣流體的擾動效果,能夠強化傳熱。同時,雙梯形百葉窗翅片進出口壓降比矩形百葉窗翅片進出口壓降大。Lindstedt等[22]分析了矩形、梯形和三角形的單個翅片陣列和多個陣列不同的熱性能。在此基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化散熱器的幾何參數(shù)和元件在基板上的位置,使基板和翅片陣列組成的散熱器質(zhì)量達到最小。研究結(jié)果表明,在單個翅片中,三角形是散熱片的最佳形狀。然而,在散熱器的多個翅片陣列中,梯形翅片反而是最優(yōu)形狀。Hosseinzadeh等[23]研究了多孔梯形、凹拋物線形和凸拋物線形三種不同橫截面翅片的熱性能,并分析了皮克里特數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、發(fā)射率、傳熱系數(shù)、對流導(dǎo)熱系數(shù)和輻射導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)對無量綱溫度的影響。研究發(fā)現(xiàn)翅片的傳熱遞率隨表面發(fā)射率的增加而增加,熱導(dǎo)率隨溫度的增加而增加。

不同結(jié)構(gòu)的梯形翅片表現(xiàn)出不同的性能。對于梯形翅片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是非常有必要的。因此,在工作中提出了一種新的梯形翅片間開矩形槽的新形式。采用數(shù)值模擬的方法,在不同流體速度(Fluid Velocity,u)下,比較了不同形狀翅片與流體對流換熱之后芯片的溫度分布差異,研究了新形狀翅片開槽寬度(Slotting Width,w)、開槽高度(Slotting Height,h2)以及開槽移動位置(Slotting Moving Position,s)對芯片散熱的影響。通過對開槽翅片的研究,為板翅式散熱器散熱效率的提升等方向研究提供了指導(dǎo)意義。

1 數(shù)值分析

1.1 模型描述

圖1展示了三種不同的散熱器形式,包括矩形直翅片散熱器(圖1(a))、梯形翅片散熱器(圖1(b))和梯形開槽翅片散熱器(圖1(c))。變化的幾何參數(shù)是相鄰翅片間開槽的寬度(w=0.67、0.75、0.85和1 cm)和高度(h2=0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3和3.5 cm),以及開槽在翅片豎直方向上移動的位置(s=-1.2、-0.6,0,0.6和1.2 cm)。散熱器(矩形、梯形、梯形開槽)都是以長和寬5 cm,高0.4 cm的基礎(chǔ)為底座,三種散熱器翅片的數(shù)量都為6片,其他它翅片參數(shù)如表1所示。其中,s為開槽矩形中點與翅片中點的豎直距離。

圖1 不同翅片模型Fig.1 Different fin models

表1 散熱片參數(shù)Tab.1 Heat sink parameter

在梯形開槽翅片設(shè)計中,文章通過設(shè)置一個基礎(chǔ)梯形開槽翅片,對梯形翅片與矩形翅片進行比較,并在此基礎(chǔ)上改變h2、w及s以開展后續(xù)研究。在這里,設(shè)定了在兩個相鄰的翅片間,基礎(chǔ)h2=1 cm,w=0.85 cm,s=0 cm。在絕大多數(shù)情況下,每個翅片在開槽之后,中間左邊或者右邊會形成橫截面為梯形的槽。另外,每個散熱器的材料為鋁,導(dǎo)熱系數(shù)為238 W/(m·K)。矩形翅片,梯形翅片和梯形開槽翅片的幾何模型如圖1所示。

1.2 傳熱模型

對于研究中所分析的翅片與流體的對流換熱問題,認定氣流是定常的穩(wěn)態(tài)層流流動。

首先,對于三維穩(wěn)態(tài)不可壓縮層流流體,流動控制方程為

連續(xù)性方程:

(1)

動量方程:

(2)

(3)

(4)

能量方程:

(5)

公式中:T為鋁的散熱器溫度;α=kf/(ρcp)為擴散系數(shù);kf為空氣的導(dǎo)熱系數(shù),室溫(293 K)下取0.026 7 W/(m·K);cp為比熱容;ρ為空氣密度;μ為空氣運動粘度,均取室溫下的值。

另外,提出了一種傳熱率參數(shù)η,定義為

(6)

公式中:T1為矩形直翅片(當與矩形直翅片比較時)或梯形翅片(當與梯形翅片比較時)與空氣流體對流換熱后的的芯片溫度,K;T2為梯形開槽翅片與空氣流體對流換熱后的的芯片溫度,K。

當η>0時,比起矩形直翅片和梯形翅片,基礎(chǔ)梯形開槽翅片擁有更低的芯片溫度,這說明梯形開槽翅片散熱器能夠更好的給電子元件芯片降溫,達到冷卻電子設(shè)備的目的。η的高低也可以為研究不同w、h2和s的有效性提供參考。

為比較不同形狀翅片的壓降,定義了一個壓降效率ηP

(7)

公式中:P1為散熱器入口壓力;P2為散熱器出口壓力。

可以發(fā)現(xiàn),無量綱ηP越大,代表著翅片散熱器降低的由于流體路徑中阻力而引起壓力的程度越大。而ηP越小,則引起壓力的程度越小。

最后,由于在散熱器底座與環(huán)境溫度150 K的溫差下,鋁翅片表面的輻射傳熱率占比不超過16%,因此可以忽略輻射傳熱的影響[24]。因為在不同形狀翅片的研究以及梯形開槽翅片的優(yōu)化設(shè)計中,所有種類翅片的最大溫差為140 K。研究中,選用軟件COMSOL Multiphysics 6.0對上述共軛傳熱方程組進行求解。

1.3 計算域和邊界條件

在分析翅片散熱器的傳熱過程中,不可避免的要設(shè)置一個計算域,在該計算域內(nèi)通入空氣流體以完成與翅片散熱器的對流換熱。研究采用計算域為一寬度20 cm,高度和長度均為7.5 cm的長方體。翅片散熱器放置在該長方體的中間偏入口位置,如圖2(a)所示。在翅片散熱器底座下部還設(shè)置了一個比底座小的長方體,作為電子元件的芯片熱源,寬度和長度為3.5 cm,高度為0.4 cm,緊貼底座。散熱器底部的電子芯片材料為硅玻璃,導(dǎo)熱系數(shù)為1.38 W/(m·K)。在散熱器底座與電子芯片中間還附著一層50 um厚的導(dǎo)熱硅脂,導(dǎo)熱系數(shù)為3 W/(m·K),如圖2(b)所示。對于流體流動區(qū)域分析,邊界條件如下:文中列項說明格式如下:

圖2 電子芯片及散熱器的流域示意圖Fig.2 Watershed diagram of electronic chip and radiator

1)入口空氣溫度為293 K;

2)空氣流速設(shè)為0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 m/s;

3)出口空氣壓力為0 Pa;

4)在固體和流體域之間的壁界面處、在流體域的頂部處以及在入口和出口流體域的底部處均為無滑移邊界條件;

5)散熱器底部的電子芯片(體積4.9 cm3)基礎(chǔ)熱源為30 W。

1.4 網(wǎng)格獨立性測試

在研究中,三種散熱器(矩形直翅片散熱器,梯形翅片散熱器,基礎(chǔ)梯形開槽翅片散熱器)的網(wǎng)格剖分主要為四面體。在網(wǎng)格獨立性的測試中,分析了梯形翅片的不同網(wǎng)格數(shù)對電子元件芯片溫度的影響,如圖3所示。在u=0.1 m/s下,網(wǎng)格數(shù)增加到200 000之后,芯片溫度隨網(wǎng)格數(shù)的增加上升趨勢逐漸變緩?？紤]到精度和數(shù)值模擬的成本,研究梯形翅片的網(wǎng)格量被分成234 602進行模擬。保持相同的網(wǎng)格密度,矩形直翅片散熱器和基礎(chǔ)梯形開槽翅片散熱器的網(wǎng)格量分別為207 458和288 915,如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格獨立性測試Fig.3 Grid independence test

圖4 不同翅片網(wǎng)格剖分圖Fig.4 Grid profile of different fins

2 結(jié)果與討論

文章考慮三維穩(wěn)態(tài)時五種不同u對各個形狀翅片的傳熱,最后結(jié)果以經(jīng)過對流傳熱后的芯片底部溫度值為依據(jù),比較了不同u下翅片形狀對散熱效果的影響。首先比較了矩形直翅片、梯形翅片與基礎(chǔ)梯形開槽翅片的熱性能。其次,研究了w、h2和s變化的影響。最后,總結(jié)了u對η的影響。

2.1 翅片形狀對芯片散熱效果的影響

u對熱傳遞的影響如圖5所示。該圖顯示了不同u下梯形翅片、矩形翅片和基礎(chǔ)梯形開槽翅片的芯片溫度圖。從該圖可以看出,隨著u的增加,三種翅片的芯片溫度都呈下降趨勢。這是由于u增加時,空氣對能量的輸送能力更強,散熱片外部的熱量損失也增加,導(dǎo)致散熱片溫度下降。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),梯形翅片的芯片溫度低于矩形直翅片,而基礎(chǔ)梯形開槽翅片又低于梯形翅片。實際上,梯形翅片相比矩形直翅片,翅片與流體的接觸面積增多,基礎(chǔ)梯形開槽翅片又比梯形翅片接觸面積更大。在其它邊界條件不變的情況下,只增加翅片的接觸面積能夠加強翅片與流體的對流換熱,使芯片溫度降的更低。另外,在低u條件下,翅片形狀的差異占主導(dǎo)。當u=0.1 m/s時,基礎(chǔ)梯形開槽翅片比矩形直翅片擁有46.92 K的溫降,η能夠提升約15.7%。而基礎(chǔ)梯形開槽翅片比梯形翅片也能擁有12.29 K的溫降,η能夠提升約5%。

圖5 不同u下矩形、梯形和基礎(chǔ)梯形開槽翅片的芯片溫度圖Fig.5 Chip temperature diagrams for different u rectangle,trapezoid and base trapezoid slotted fins

圖6顯示了不同u下的矩形直翅片、梯形翅片與基礎(chǔ)梯形開槽翅片壓力分布圖。對熱優(yōu)化散熱器進行了水力分析,并計算了通過散熱器的壓降(ΔP)。散熱器作為流體通過的路徑中的阻礙,降低了空氣壓力?？捎^察到同一翅片散熱器,每個散熱器的u越高,ΔP越高。對于每個u,比較不同翅片形狀的散熱器,梯形開槽翅片散熱器的ηP最高,矩形直翅片最低,梯形翅片位于兩者之間。這是因為不同的散熱器翅片形狀不同,空氣流體經(jīng)過散熱器后具有不同的路徑和流速,從而產(chǎn)生了不同的ηP。具體不同散熱器P1、P2、ΔP和ηP值如表2所示。

圖6 不同u下不同翅片散熱器的壓力分布圖Fig.6 Pressure distribution diagram of different u radiators with different fins

表2 不同u下不同散熱器P1、P2、ΔP和ηP值

2.2 開槽高度對芯片散熱效果的影響

圖7顯示了不同u下梯形開槽翅片w固定,改變h2的芯片溫度圖。圖中分析了0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3和3.5 cm八種不同h2對芯片溫度的影響,并與h=1 cm的基礎(chǔ)梯形開槽高度做對比。從該圖可以看出,隨著u的增加,所有翅片散熱器的芯片溫度都呈下降趨勢。在低u下,改變h2對芯片溫度影響較大,且增加h2,芯片溫度會降的更低。在高u下,改變h2對溫度變化不明顯。而當u=0.1 m/s時翅片形狀的差異最明顯。此時當h2h時,翅片傳熱效率升高的程度會增高。在h2=0.5～3.5 cm范圍內(nèi),相比于矩形直翅片,該翅片的η在13%～22%之間。而相比于梯形翅片,該翅片η在2%～12%之間。

圖7 不同u下梯形開槽翅片不同開槽高度的芯片溫度分布顯示Fig.7 Different u trapezoid slotted fin different slotted height chip temperature distribution display

2.3 開槽寬度對芯片散熱效果的影響

圖8顯示了不同u下梯形開槽翅片h2固定時,改變w的芯片溫度圖。圖中分析了0.67、0.75、0.85、1 cm四種不同的w對芯片溫度的影響,并與w=0.85 cm的基礎(chǔ)梯形開槽寬度進行了對比。在低u下,改變w對芯片溫度影響較大,且增加w,芯片溫度會降的更低。在高u下,改變w對溫度變化不明顯。隨著w逐漸增加,翅片與流體的接觸面積越來越大。這會使翅片通過對流換熱散失到流體的熱量越來越多,因此w越大,芯片溫度越低。但是,比起基礎(chǔ)梯形開槽翅片,減小w會使翅片傳熱效率降低,而增加w只能略微升高翅片傳熱效率。在u=0.1 m/s的翅片尺寸研究范圍處,比起矩形直翅片,改變w的梯形開槽翅片η最大能夠提升約16.4%。此外,當增加w至經(jīng)過翅片中心線時,考慮到翅片材料的制作程度,以及翅片的支撐難度,不宜再往下增加w?？傊?適當增加w,翅片的η會略微提高。

圖8 不同u下梯形開槽翅片不同開槽寬度的芯片溫度分布顯示Fig.8 Different u trapezoid slotted fin different slotted width chip temperature distribution display

2.4 開槽位置對芯片散熱效果的影響

圖9顯示了不同u下梯形開槽翅片w、h2固定,改變s的芯片溫度圖。圖中分析了上移1.2 cm、0.6 cm、0(開槽處于中間位置)、下移1.2 cm、0.6 cm五種不同s對芯片溫度的影響。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),上移開槽會使芯片溫度小范圍升高,下移開槽芯片溫度基本保持不變。此外,在低u下,s越靠下,芯片溫度越低,對散熱器的散熱效果越好;s越靠上,芯片溫度越高,越不利于散熱器的散熱。在高u下,s對芯片溫度幾乎沒有影響。

圖9 不同u下梯形開槽翅片不同開槽移動位置的芯片溫度分布顯示Fig.9 Different u trapezoid slotted fin different slotted moving position of the chip temperature distribution display

對上述不同形狀梯形開槽翅片散熱器的研究可以發(fā)現(xiàn),降低u能夠明顯提升散熱器的散熱效率。在研究范圍內(nèi),當u=0.1 m/s時,翅片形狀對散熱器散熱的差異最明顯。此時,比起矩形直翅片,梯形開槽翅片η能夠提升15.7%～22%。而比起梯形翅片,梯形開槽翅片的η也能提升5%～12%,這能夠更好的降低芯片的溫度,實現(xiàn)電子元件充分散熱。

3 結(jié) 論

在研究中,提出了一種新型的梯形開槽翅片散熱器。研究結(jié)果表明,在梯形翅片表面開槽可以有效提高流體與翅片表面的傳熱率,進而有助于增強電子元件芯片溫度散熱能力。通過比較了矩形直翅片、梯形翅片和基礎(chǔ)梯形開槽翅片的熱性能,以及對開槽幾何參數(shù)(w、h2和s)的優(yōu)化和對u性能指標的分析,得出以下結(jié)論:

1)在所有u下,矩形直翅片散熱器的溫度最高,梯形開槽翅片散熱器溫度最低,梯形翅片散熱器位于兩者之間,這意味著梯形開槽翅片具有更好的散熱效果;

2)對于各種形狀散熱器,不同u顯示出了散熱效果的差異。u較高時,改變各種開槽的形狀對芯片散熱幾乎沒有影響。而在低u下,增加w、增加h2、將s下移都能夠提升芯片的傳熱率,大大降低芯片溫度;

3)在對η的研究中,當流體處于低速時,各種類型翅片形狀尺寸的差異主要影響η的大小。與矩形直翅片相比,各種開槽寬高度和開槽位置的梯形開槽翅片散熱器η能夠提高15.7%～22%。與梯形翅片相比,梯形開槽翅片散熱器的η也能提高5%～12%。這可為板翅式散熱器未來形狀方面的改進提供參考。