某高效散熱冷板的結構設計與優化

李 健，趙如意，張 恒，葛 鷹

（常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164）

1 引言

隨著集成電路的發展，電子產品及電子設備中的一些器件熱流密度越來越大，給散熱技術提出了越來越高的要求[1]。傳統的空氣冷卻技術已經不能滿足電子設備冷卻要求，一般熱流密度超過0.6W/cm2時，就需要采用強迫液冷的方式進行散熱[2]。冷板是一種單流體的熱交換器，是目前廣泛應用于中、高功率密度的電子設備中的一種換熱裝置[3]。常規的液冷結構有直線型、U型和S型等流道冷板，但是在面對目前一些熱流密度較高的電子設備時，這些普通流道往往滿足不了其散熱要求。這就需要適當的改變流道內部結構，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，學術界開展了大量關于液冷冷板散熱性能的研究，文獻[4-5]針對雙層微小通道冷板的冷卻性能進行理論分析；文獻[6]等通過實驗和計算機數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構因素，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）等結構因素對流量分布的均勻性有重要影響。文獻[7]用CFD模擬研究了平行流道冷板的進出水位置對整體性能的影響，共研究了五種不同進出口位置，模擬顯示了流動導致的速度的分布不均和溫度場的不均勻。文獻[8]來等利用數值仿真方法對速度、U型和Z型流道結構、并行流道的橫截面三種因素是如何影響流量分布進行了研究，提出了改善流量分布的方法。但是，目前對于新型流道以及流道內部結構方面的相關研究鮮見報道。為了推進和補充這方面的工作，通過ICEPAK熱仿真軟件對三種不同形狀的流道翅片進行散熱性能分析，從而優化S型流道，得到相關研究成果，為今后的軍用電子設備的熱設計奠定一定的基礎。

2 計算模型

某六通道的電子設備采用液冷冷板的散熱形式，為了減少仿真網格數，保證仿真的精確度[9]，模型簡化，如圖1所示。冷板尺寸為（200×60×8）mm，材質為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，陣列并對稱貼在冷板兩側，每個熱源功率25W，需要保證在40℃的環境溫度下，熱源區域溫差不得高于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 仿真參數設置

常規的S型流道冷板結構截面圖，如圖2所示。將帶有流道的冷板三維模型導入ICEPAK中，并設置邊界條件：熱源總功率設為300W，環境溫度和輻射溫度都設為40℃，默認冷板材料為Al-Extruded，進出口設置兩個opening，冷卻液為Glycol-60（65號防凍液），此溶液比熱容為3171J（/kg·℃），密度為1063.4kg/m3，根據公式Q=cmΔt、m=ρv和v=qt，可推導出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—單位時間（s）；Δt—溫差（℃），按進出口水溫差5℃計算出所需供液流量為0.85L/min。邊界條件設置完成后進行網格劃分，網格類型采用Mesher-HD。X、Y、Z三個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 仿真結果分析

仿真得到的冷板表面溫度云圖，如圖3所示。整個冷板的熱量從中心向兩邊逐漸擴散開來，冷板的最高溫度集中在熱源所在區域，由于左側是冷卻液入口，冷板的溫度相對比較低，越往右，冷卻液帶走的熱量越來越少，冷板的溫度逐漸升高，導致左側的散熱效果比右側更明顯。從左往右每個熱源中心的溫度變化情況表，如表1所示。可以發現，熱源區域的溫差接近2.9℃，且最高溫度達65.04℃，并不能滿足此冷板的熱設計要求。

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 流道結構優化

整個冷板熱源的總功耗達到300W，從上面的溫度云圖中可以看出，普通的S型流道已經滿足不了它的散熱要求。這時引入翅片散熱模塊，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也使得流道通水的截面積變小，導致流速變大，從而也增大了流阻。考慮到整個冷板正反各有6塊芯片集中發熱，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。

針對散熱要求，分別設計了矩形、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，流道數目為10，翅片間距為1.3mm。矩形、三角形翅片由于它們的當量直徑比較小，所以具有較好的散熱性能，而梯形翅片是因為其形狀類似波形，能形成冷卻液的二次流動，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。利用仿真軟件對三種冷板結構進行熱分析，仿真的邊界條件保持不變。

4.2 仿真結果分析

三種冷板仿真所得到的溫度云圖，如圖5所示。每個熱源中心溫度變化，如表2所示。對上述結果進行分析，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℃，散熱效果都遠遠優于普通的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現，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流阻，最終選擇梯形翅片的散熱模塊結構。

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 試驗分析

5.1 試驗設備

為了進一步驗證三種翅片冷板的換熱性能，搭建了試驗臺對其進行熱測試。試驗裝置包括液冷源、轉子流量計（L/h）、溫度傳感器（精度0.15℃）、壓力表、計算機、熱電偶若干、接觸調壓器、三種翅片冷板等。

5.2 試驗方法

試驗中冷卻液流通主要試驗器材的循環為液冷源—壓力表（進口）—轉子流量計—液冷板—壓力表（出口）—液冷源，試驗原理示意圖，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號防凍冷卻液用以冷卻冷板負載。

準備試驗所需設備，對三種冷板進行以下試驗：把12個熱電偶分別正反對稱貼裝在冷板表面，通過接觸調壓器將每個電阻的功率調至25W，同時電阻與冷板接觸面均填充導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。設置液冷源出液溫度40℃，通過回口閥門調節流量使得流量計顯示51L/h（0.85L/min），開啟液冷源進行工作。持續工作時長25min，每分鐘記錄一次數據。

圖7 試驗原理示意圖Fig.7 Schematic Diagram of the Test Principle

5.3 試驗分析

三種冷板實驗測試結果，如圖8所示。實驗進行至15min左右時，三種冷板的表面溫度都趨于穩定。三角形翅片的溫度曲線在54.8℃左右趨于穩定，梯形和矩形翅片的溫度曲線分別在55.7℃和57.1℃趨于穩定。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環境溫度的波動，都會導致試驗數據和仿真數據存在一定的誤差。但是在三種冷板表面溫度變化趨勢方面，試驗結果和仿真結果相同，由此可保證ICEPAK仿真軟件在電子設備熱設計中的可靠性。

圖8 三組實驗冷板溫度變化圖Fig.8 The Temperature Variation of the Three Groups

6 結論

（1）利用ICEPAK仿真軟件對普通S型流道和改進后的三種翅片流道結構進行熱分析，結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備密度高、散熱困難等問題。（2）改進后的三種翅片流道冷板都滿足設計要求。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、系統流阻、工藝加工，最終選擇梯形翅片的散熱模塊結構。（3）通過仿真與試驗相結合的方式，驗證了ICEPAK仿真軟件在熱設計階段的可行性。

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