李 健，趙如意，張 恒，葛 鷹

（常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，電子產(chǎn)品及電子設(shè)備中的一些器件熱流密度越來越大，給散熱技術(shù)提出了越來越高的要求[1]。傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足電子設(shè)備冷卻要求，一般熱流密度超過0.6W/cm2時(shí)，就需要采用強(qiáng)迫液冷的方式進(jìn)行散熱[2]。冷板是一種單流體的熱交換器，是目前廣泛應(yīng)用于中、高功率密度的電子設(shè)備中的一種換熱裝置[3]。常規(guī)的液冷結(jié)構(gòu)有直線型、U型和S型等流道冷板，但是在面對(duì)目前一些熱流密度較高的電子設(shè)備時(shí)，這些普通流道往往滿足不了其散熱要求。這就需要適當(dāng)?shù)母淖兞鞯纼?nèi)部結(jié)構(gòu)，通過增加冷板流道的換熱面積，提高元器件的散熱效率。

近二十年來，學(xué)術(shù)界開展了大量關(guān)于液冷冷板散熱性能的研究，文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)雙層微小通道冷板的冷卻性能進(jìn)行理論分析；文獻(xiàn)[6]等通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法研究了影響U型及Z型流向散熱器流量分布均勻性的幾何結(jié)構(gòu)因素，得出入口總管的流速、入口總管的尺寸、并行管路的直徑、并行管路的間距、流向（U/Z型流向）等結(jié)構(gòu)因素對(duì)流量分布的均勻性有重要影響。文獻(xiàn)[7]用CFD模擬研究了平行流道冷板的進(jìn)出水位置對(duì)整體性能的影響，共研究了五種不同進(jìn)出口位置，模擬顯示了流動(dòng)導(dǎo)致的速度的分布不均和溫度場(chǎng)的不均勻。文獻(xiàn)[8]來等利用數(shù)值仿真方法對(duì)速度、U型和Z型流道結(jié)構(gòu)、并行流道的橫截面三種因素是如何影響流量分布進(jìn)行了研究，提出了改善流量分布的方法。但是，目前對(duì)于新型流道以及流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究鮮見報(bào)道。為了推進(jìn)和補(bǔ)充這方面的工作，通過ICEPAK熱仿真軟件對(duì)三種不同形狀的流道翅片進(jìn)行散熱性能分析，從而優(yōu)化S型流道，得到相關(guān)研究成果，為今后的軍用電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)奠定一定的基礎(chǔ)。

2 計(jì)算模型

某六通道的電子設(shè)備采用液冷冷板的散熱形式，為了減少仿真網(wǎng)格數(shù)，保證仿真的精確度[9]，模型簡(jiǎn)化，如圖1所示。冷板尺寸為（200×60×8）mm，材質(zhì)為6061鋁。正反面各貼6塊電子芯片（以下稱熱源），熱源尺寸為（10×6×2）mm，陣列并對(duì)稱貼在冷板兩側(cè)，每個(gè)熱源功率25W，需要保證在40℃的環(huán)境溫度下，熱源區(qū)域溫差不得高于2.5℃，冷板表面的溫度不得超過60℃。

圖1 液冷板三維模型Fig.1 The Three-Dimensional Model of Liquid-Cooling Plate

3 S型流道散熱性能分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

常規(guī)的S型流道冷板結(jié)構(gòu)截面圖，如圖2所示。將帶有流道的冷板三維模型導(dǎo)入ICEPAK中，并設(shè)置邊界條件：熱源總功率設(shè)為300W，環(huán)境溫度和輻射溫度都設(shè)為40℃，默認(rèn)冷板材料為Al-Extruded，進(jìn)出口設(shè)置兩個(gè)opening，冷卻液為Glycol-60（65號(hào)防凍液），此溶液比熱容為3171J（/kg·℃），密度為1063.4kg/m3，根據(jù)公式Q=cmΔt、m=ρv和v=qt，可推導(dǎo)出q=，式中：q—流量（L/h）；Q—熱量（J）；c—比熱容J（/kg·℃）；ρ—密度（kg/m）3；t—單位時(shí)間（s）；Δt—溫差（℃），按進(jìn)出口水溫差5℃計(jì)算出所需供液流量為0.85L/min。邊界條件設(shè)置完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用Mesher-HD。X、Y、Z三個(gè)方向最大的尺寸分別是0.3mm、0.25mm、0.2mm。

圖2 S型流道截面圖Fig.2 The Cross-Section Diagram of S-Shaped Flow Channel

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真得到的冷板表面溫度云圖，如圖3所示。整個(gè)冷板的熱量從中心向兩邊逐漸擴(kuò)散開來，冷板的最高溫度集中在熱源所在區(qū)域，由于左側(cè)是冷卻液入口，冷板的溫度相對(duì)比較低，越往右，冷卻液帶走的熱量越來越少，冷板的溫度逐漸升高，導(dǎo)致左側(cè)的散熱效果比右側(cè)更明顯。從左往右每個(gè)熱源中心的溫度變化情況表，如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，熱源區(qū)域的溫差接近2.9℃，且最高溫度達(dá)65.04℃，并不能滿足此冷板的熱設(shè)計(jì)要求。

圖3 溫度云圖Fig.3 Temperature Contour

4 S型加翅片流道散熱性能分析

4.1 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

整個(gè)冷板熱源的總功耗達(dá)到300W，從上面的溫度云圖中可以看出，普通的S型流道已經(jīng)滿足不了它的散熱要求。這時(shí)引入翅片散熱模塊，通過增加冷卻液和冷板的換熱面積，來提高冷板的換熱效率[10]。但是翅片模塊的引入同時(shí)也使得流道通水的截面積變小，導(dǎo)致流速變大，從而也增大了流阻。考慮到整個(gè)冷板正反各有6塊芯片集中發(fā)熱，為了減小流阻，在熱源正下方的流道位置增加翅片，解決冷板局部熱流密度高的問題。

針對(duì)散熱要求，分別設(shè)計(jì)了矩形、梯形、三角形三種不同形狀的翅片，保證它們的橫截面積都為20mm2，流道數(shù)目為10，翅片間距為1.3mm。矩形、三角形翅片由于它們的當(dāng)量直徑比較小，所以具有較好的散熱性能，而梯形翅片是因?yàn)槠湫螤铑愃撇ㄐ?，能形成冷卻液的二次流動(dòng)，從而提高它的換熱性能。加入翅片后的S型冷板流道截面圖，如圖4所示。利用仿真軟件對(duì)三種冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，仿真的邊界條件保持不變。

4.2 仿真結(jié)果分析

三種冷板仿真所得到的溫度云圖，如圖5所示。每個(gè)熱源中心溫度變化，如表2所示。對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，從三種不同翅片的溫度云圖中可以看出，三種翅片流道的溫度都低于60℃，散熱效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的S型流道。其中，使用三角形翅片的散熱效果最好，冷板表面最高溫度56.1℃，相較于矩形翅片低2.2℃，比普通S型流道的溫度降低約8.9℃，梯形翅片的散熱效果介于矩形和三角形翅片之間，其最高溫度與三角形翅片僅相差了0.9℃。從熱源中心溫度變化表可以發(fā)現(xiàn)，三種翅片熱源處的整體溫差都低于2.5℃，其中梯形翅片的溫差最小為1.77℃。因此，從溫差方面來說，梯形翅片的散熱效果最好。三種翅片冷板的壓力云圖，如圖6所示。矩形、梯形、三角形翅片的最大壓力分別為 49678.9N/m2、46944.6N/m2、53955.0N/m2，由此可見，梯形翅片的流阻最小。綜合考慮散熱效果和系統(tǒng)流阻，最終選擇梯形翅片的散熱模塊結(jié)構(gòu)。

圖5 溫度云圖Fig.5 Temperature Contour

表2 熱源中心溫度變化表Tab.2 The Table of Temperature Variation of Center Heat Source

圖6 壓力云圖Fig.6 Pressure Contour

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了進(jìn)一步驗(yàn)證三種翅片冷板的換熱性能，搭建了試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行熱測(cè)試。試驗(yàn)裝置包括液冷源、轉(zhuǎn)子流量計(jì)（L/h）、溫度傳感器（精度0.15℃）、壓力表、計(jì)算機(jī)、熱電偶若干、接觸調(diào)壓器、三種翅片冷板等。

5.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中冷卻液流通主要試驗(yàn)器材的循環(huán)為液冷源—壓力表（進(jìn)口）—轉(zhuǎn)子流量計(jì)—液冷板—壓力表（出口）—液冷源，試驗(yàn)原理示意圖，如圖7所示。其中液冷源提供恒定流量（0.85L/min）、恒定溫度（40℃）的65號(hào)防凍冷卻液用以冷卻冷板負(fù)載。

準(zhǔn)備試驗(yàn)所需設(shè)備，對(duì)三種冷板進(jìn)行以下試驗(yàn)：把12個(gè)熱電偶分別正反對(duì)稱貼裝在冷板表面，通過接觸調(diào)壓器將每個(gè)電阻的功率調(diào)至25W，同時(shí)電阻與冷板接觸面均填充導(dǎo)熱硅脂以減小接觸熱阻。按照原理示意圖安裝水頭，連接水管，連通液冷源。設(shè)置液冷源出液溫度40℃，通過回口閥門調(diào)節(jié)流量使得流量計(jì)顯示51L/h（0.85L/min），開啟液冷源進(jìn)行工作。持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)25min，每分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。

圖7 試驗(yàn)原理示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Test Principle

5.3 試驗(yàn)分析

三種冷板實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至15min左右時(shí)，三種冷板的表面溫度都趨于穩(wěn)定。三角形翅片的溫度曲線在54.8℃左右趨于穩(wěn)定，梯形和矩形翅片的溫度曲線分別在55.7℃和57.1℃趨于穩(wěn)定。通過曲線圖可以看出：三角形翅片的冷板表面溫度最先趨于穩(wěn)定，因此它的散熱效果最好，而矩形翅片的散熱效果最差。由于仿真過程中忽略了功率器件與冷板之間焊接材料的熱阻以及試驗(yàn)環(huán)境溫度的波動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)存在一定的誤差。但是在三種冷板表面溫度變化趨勢(shì)方面，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相同，由此可保證ICEPAK仿真軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的可靠性。

圖8 三組實(shí)驗(yàn)冷板溫度變化圖Fig.8 The Temperature Variation of the Three Groups

6 結(jié)論

（1）利用ICEPAK仿真軟件對(duì)普通S型流道和改進(jìn)后的三種翅片流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，結(jié)果顯示翅片散熱模塊的引入能明顯改善冷板的散熱性能，可以更有效的解決電子設(shè)備密度高、散熱困難等問題。（2）改進(jìn)后的三種翅片流道冷板都滿足設(shè)計(jì)要求。其中，采用三角形截面的翅片冷板表面溫度最低，矩形截面的翅片冷板溫度最高；采用梯形截面的翅片冷板表面溫差最小，壓阻也是最小。因此，綜合考慮散熱效果、系統(tǒng)流阻、工藝加工，最終選擇梯形翅片的散熱模塊結(jié)構(gòu)。（3）通過仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，驗(yàn)證了ICEPAK仿真軟件在熱設(shè)計(jì)階段的可行性。

［1］翁建華，郭廣品，崔曉鈺.散熱器翅片間距的選取及其與微型風(fēng)扇的匹配［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（6）：52-53+57.（Weng Jian-hua，Guo Guang-pin，Cui Xiao-yu.Determination of the Fin Gap of Heat Sink and its Match with Miniature Fan［J］.Machinery Design＆ Manufacture，2013（6）：52-53+57.）

［2］呂洪濤.某固態(tài)發(fā)射模塊冷板的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［J］.電子機(jī)械工程，2012，28（4）：18-21.（Lv Hong-tao.Design and Optimization for Cold Plate of a Solid-state Trasmitter Module［J］.Electro-Mechanical Engineering，2012，28（4）：18-21.）

［3］翟妮娜.S型流道液冷冷板性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013.（Zhai Ni-na.Performance Analysis and Structural Optimization of S-shaped Flow Channel Liquid-cooling Plate［D］.Xi’an：Xidian University，2013.）

［4］SHARMA，SINGH P P，GARG H.Numerical Analysis of Trapezoidal Shape Double Layer Micro-channel Heat Sink［J］.International journal of Mechanical and Industrial Engineering，2013，3（1）：10-15.

［5］Wang Zheng-hua，Wang Xiao-dong，Yan Wei-mon.Multi-Parameters Optimization for Micro-channel Heat Sink Using Inverse Problem Method［J］.International journal of Heat and Mass Transfer，2011，54（13）：2811-2819.

［6］C.-C.Wang，K.-S.Yang，J.-S.Tsai.Characteristics of Flow Distribution in Compact Parallel Flow Heat Exchangers，part I：Typical Inlet Header［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31（16）：3226-3234

［7］Lu Ming-chang，Wang Chi-chuan.Effect of the Inlet Location on the Performance of Parallel-channel Cold-plate［J］.Transactions on Compon-Ents and Packaging Technologies，2006，29（1）：30-38.

［8］張潤(rùn)來，方一紅.并聯(lián)管組模型流動(dòng)均勻性分析［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：45-48.（Zhang Run-lai，F(xiàn)ang Yi-hong.An Analysis of the Uniformity of Flow in Parallel Pipeline Model［J］.Journal of Tianjin University of Science＆Technology，2007（2）：45-48.）

［9］謝耿林.有源相控陣天線小通道冷板的熱仿真分析與熱設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2014.（Xie Geng-lin.Thermal Simulation Anslysis and Thermal Design of Microchannel Cold-plate of Active Phased Array Antenna［D］.Chengdu：School of Mechatronics Engineering，2014.）

［10］Javier A.Narvaez，Hugh Thornburg，Markus P.Rumpfkeil，Robert J.Wilkens.Computational Modeling of a Microchannel Cold Plate：Pressure，Velocity，and Temperature Profiles［J］.International Journal of Heat and MassTransfer，2014（78）：90-98.