某組合型冷板的結構設計與優化

2019-05-23 07:08:02許兆林

艦船電子對抗 2019年2期

沈彤，許兆林

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇揚州 225101)

0 引言

冷板是一種單流體的熱交換器，是目前廣泛應用于中、高效率密度的電子設備中的一種換熱裝置。隨著電源模塊集成化程度越來越高，體積不斷縮小，局部熱流密度過高，常規蛇形流道冷板的結構形式已不能滿足其散熱需求，將蛇形流道與局部翅片小通道的結構相結合，形成組合型冷板，可提高冷板局部的散熱性能[1]。本文對組合型冷板進行設計與優化，并對其進行仿真對比，比較各種組合型冷板的散熱效率。

1 建立仿真模型

某電源模塊采用液冷冷板的散熱形式，簡化模塊，建立模型，如圖1所示。冷板尺寸為(450×280×20)mm，材質為6061鋁。正面貼6塊發熱器件(以下稱熱源)，熱源尺寸為(24×24×1)mm，陣列貼在冷板上，每個熱源200 W，環境溫度50 ℃，熱源表面溫度不能超過70 ℃。

圖1 冷板三維模型

2 蛇形流道散熱性能仿真

2.1 仿真參數設置

常規的蛇形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FloEFD中，并設置邊界條件：每個熱源200 W，總共1 200 W，環境溫度和輻射溫度都設為50 ℃，默認冷板材料為鋁板6061，進水流量3 L/min，進水溫度38 ℃。

圖2 蛇形流道截面圖

2.2 仿真結果分析

仿真得到的冷板表面及各熱源體溫度云圖，如圖3所示。由于冷卻水從右側進入冷板，冷板在右側的溫度相對較低，從右至左，冷卻水帶走的熱量越來越少，冷板的溫度逐漸升高，導致右側的散熱效果比左側明顯。從右至左，每個熱源體的最高溫度情況如表1所示。

圖3 溫度云圖

表1 熱源體溫度最高值表

3 組合型散熱性能分析

3.1 翅片小通道冷板結構形式

翅片小通道冷板(去除蓋板)結構如圖4所示，其中，小通道寬度為W，高度為H，翅片厚度為D，如圖5所示[2]。

圖4 翅片小通道冷板結構示意

其中，小通道高度H與寬度W的比值稱為高寬比α，即：

(1)

翅片厚度D與小通道寬度W的比值稱為占空比β，即：

(2)

圖5 翅片小通道冷板尺寸圖

小通道寬度W、高寬比α、占空比β均影響著小通道冷板的散熱性能。當流速相同，占空比β相同時，小通道冷板的換熱系數隨著小通道高寬比的增大而增大。

3.2 組合型冷板的結構形式

整個冷板熱源的總功耗達到1 200 W，從上面的溫度云圖和熱源體溫度最高值表可知，常規的蛇形流道已經不能滿足器件的散熱要求。為提高冷板局部散熱性能，在高密度熱流器件下方的主流道上增設翅片小通道結構，如圖6所示，以此提高冷板的換熱效率，達到器件散熱需求。

圖6 組合冷板流道結構圖

3.3 組合型冷板流道結構優化

組合型冷板是通過增加冷卻水和冷板的換熱面積來提高冷板的換熱效率；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：因此，需要綜合考慮換熱面積與流阻等因素，才能設計出滿足散熱需求的冷板[3]。

針對散熱要求，在每個熱源正下方34 mm×32 mm×8 mm(長×寬×高)空間內增設翅片小通道，翅片尺寸分為3種：(a)翅片厚度D=1 mm，小通道寬度W=1 mm；(b)翅片厚度D=2 mm，小通道寬度W=2 mm；(c)翅片厚度D=3 mm，小通道寬度W=3 mm。加入翅片后的冷板局部截面圖，如圖7所示。利用仿真軟件對3種冷板結構進行熱仿真，仿真的邊界條件保持不變。

圖7 翅片小通道流道截面圖

3.4 仿真結果分析

3種冷板仿真所得到的溫度云圖如圖8所示。每個熱源體最高溫度值溫度變化如表2所示。對上述結果進行分析，從3種不同尺寸翅片組合型冷板的溫度云圖中可以看出，經3種冷板散熱后的器件表面溫度都低于70 ℃，散熱效果都優于普通蛇形流道。其中，齒寬1 mm翅片冷板表面熱源最高溫度64.67 ℃，齒寬2 mm翅片冷板表面熱源最高溫度69.42 ℃，齒寬3 mm翅片冷板表面熱源最高溫度70.91 ℃。綜合考慮散熱效果和系統流阻，齒寬1 mm翅片的組合型冷板散熱效果最佳，可優先選用[4]。