微小通道冷板截斷方式研究

范鵬杰，劉 軍

(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

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子元器件產(chǎn)生的高熱耗、高熱流密度散熱問題日益嚴重。研究表明：CPU工作溫度超過額定溫度10 ℃時，其可靠性將降低50%[1]；高熱流密度會使電子元器件芯片結(jié)溫顯著升高，并在元器件安裝表面形成“熱點”，導(dǎo)致電性能下降和可靠性降低，而由熱點產(chǎn)生的熱應(yīng)力更可能直接損壞元器件結(jié)構(gòu)[2]。故需采用合適的冷卻技術(shù)，對電子元器件的溫升進行控制，保證其正常可靠工作。

Tuckerman和Pease最早于1981年提出了微小通道的概念，并從理論上證明了微小通道單相水冷的散熱能力可達1 000 W/cm2以上[3]。微小通道冷板利用微小通道的微尺度效應(yīng)，結(jié)合液體介質(zhì)換熱系數(shù)高、比熱容大的特點，具備表面溫升合理、極限散熱密度高、便于電子組件安裝、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于高熱耗、高熱流密度電子組件散熱領(lǐng)域。張平等[4]利用高速銑和釬焊方法，加工出水力直徑為0.727～1.333 mm系列尺寸的微小通道冷板，得到了微小通道冷板的基礎(chǔ)性設(shè)計數(shù)據(jù)。張根烜等[5]對不同肋片參數(shù)的微小通道冷板換熱性能進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)微小通道冷板極限散熱能力隨著通道水力直徑的下降而提高，典型微小通道冷板散熱能力達到常規(guī)冷板的4倍以上，并成功用于冷卻某型數(shù)字陣列模塊。目前，針對微小通道冷板換熱性能的研究主要集中在流道截面、串并聯(lián)形式及流動特性等方面，而關(guān)于截斷對微小通道冷板換熱性能影響的研究報道較少。

由于通道內(nèi)的流體在入口段比充分發(fā)展段具有更高的換熱系數(shù)，工程技術(shù)上常常通過利用入口段換熱效果好這一特點來強化傳熱[6]。截斷可以破壞通道內(nèi)流體的充分發(fā)展流動，使其再次處于入口段流動；此外，液體是熱的不良導(dǎo)體，截斷可以增強擾動和混合作用，有效實現(xiàn)通道的強化傳熱。基于此，本文在國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，通過仿真模擬及分析，開展不同截斷方式對微小通道冷板換熱性能影響規(guī)律的研究，以期為微小通道冷板的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 微小通道冷板概述

微小通道冷板以內(nèi)嵌水冷肋片為主要換熱結(jié)構(gòu)，通過流動的邊界層效應(yīng)和微尺度效應(yīng)，大大提高液體與冷板間的對流換熱系數(shù)和冷板單位體積的換熱面積，有效突破常規(guī)通道冷板的極限散熱瓶頸，為增強高熱耗、高熱流密度電子元器件的散熱提供更有力的手段。微小通道冷板具有對流換熱系數(shù)大、整體熱阻低、極限散熱能力強的優(yōu)點，但同樣存在流動阻力大、加工成型難度高的問題。在對微小通道冷板進行工程設(shè)計時，必須對其換熱能力、流動阻力以及加工成型等方面進行綜合考量，以保證冷板的實際換熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性。

2 冷板換熱性能分析

計算流體力學(xué)(CFD)是流體力學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，基于有限體積法(FVM)開發(fā)，已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FloEFD以CFD為開發(fā)基礎(chǔ)，能自動識別流動區(qū)域的流體流態(tài)，具有強大的流體流動與傳熱計算能力，可為電子設(shè)備散熱設(shè)計優(yōu)化提供有效的仿真數(shù)據(jù)[7]。本文借助FloEFD軟件，針對不同截斷方式下的微小通道冷板換熱性能進行仿真計算及分析。

2.1 計算模型建立

本文以8通道T/R組件的散熱冷板為研究對象。該T/R組件有8個橫向排列的發(fā)熱點，間隔為3 mm，每個發(fā)熱點熱耗為60 W，與冷板安裝表面接觸尺寸為8 mm×4 mm，熱流密度達187.5 W/cm2；冷板材料為鋁6063(導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m?K))，外形尺寸為65 mm×40 mm×5 mm。

考慮到冷板的加工成型難度，設(shè)置微小通道冷板肋片厚度為1 mm，肋片長度為20 mm；流道高度為3 mm，寬度為0.6 mm，則微小通道水力直徑為1 mm。

根據(jù)截斷方式的不同，本文研究的截斷包括：截斷形式、截斷寬度及截斷間距，如圖1所示。其中，截斷形式選取矩形和圓弧形；截斷寬度設(shè)置為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm及1.4 mm；考慮到冷板流體進出口要求可互換，設(shè)置截斷間距關(guān)于熱源中心線對稱，分為：2行截斷，間距分別為3 mm、4 mm；3行截斷，間距分別為3 mm、4 mm；4行截斷，間距為3 mm。

仿真工況參考典型電子設(shè)備散熱要求進行設(shè)置：環(huán)境溫度為50 ℃，冷卻介質(zhì)為65號航空冷卻液，冷卻液供液溫度為40 ℃。通過調(diào)整截斷方式，以冷板表面最高溫度為主要優(yōu)化目標，對微小通道冷板不同截斷方式下的換熱性能進行仿真分析。

2.2 截斷形式對換熱性能的影響

選取矩形、圓弧形2種截斷形式，截斷寬度為0.6 mm，1行截斷(無截斷間距)，進行熱流耦合仿真，如圖2所示，為2種截斷形式下的冷板流體域。為更好地比較截斷形式對冷板換熱性能的影響，取無截斷微小通道冷板做對照仿真。冷板換熱性能會隨著冷卻液供液流量的增大而提高，本節(jié)選取供液流量分別為3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min及7 L/min，研究上述3種微小通道冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)及冷卻液流阻的變化。

圖2 矩形、圓弧形截斷時冷板流體域

微小通道冷板的對流換熱系數(shù)h計算公式如下：

(1)

Q=cpρqv(tf2-tf1)

(2)

式中：Q為冷板換熱量，考慮到環(huán)境和冷板之間有少量熱交換，本文將冷卻液帶走的熱量作為冷板換熱量；A為與冷卻液接觸的總的流道換熱面積；tw為冷板殼體均溫；tf為流體域冷卻液均溫；cp為冷卻液均溫下的比熱；ρ為冷卻液均溫下的密度；qv為冷卻液供液流量；tf1為冷卻液供液溫度；tf2為冷卻液回液溫度。

如圖3所示，分別為2種截斷形式及無截斷時微小通道冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)和流阻隨供液量的變化。

圖3 不同截斷形式下?lián)Q熱性能隨冷卻液供液量的變化曲線

由圖3(a)可知，無截斷、矩形截斷及圓弧形截斷時，冷板表面最高溫度均隨著冷卻液供液量的增加而降低；矩形截斷的降溫效果更好，相比無截斷時，表面最高溫度降低可達8.0%。由圖3(b)可知，隨著供液量的增加，微小通道冷板對流換熱系數(shù)幾乎呈線性增大；矩形截斷的對流換熱系數(shù)更高，相比無截斷時，對流換熱系數(shù)提高可達42.4%。由圖3(c)可知，隨著供液量的增加，冷板冷卻液流阻增大速度變快；矩形截斷的流阻和圓弧形截斷相差不大，相比無截斷時，增大了8.9%。從以上分析可知，截斷可顯著提高微小通道冷板的換熱性能，且冷卻液流阻在一定流量范圍內(nèi)相對升高不多；在截斷寬度為0.6 mm，1行截斷時，矩形截斷相對圓弧形截斷具有更好的強化傳熱效果。

2.3 截斷寬度對換熱性能的影響

本節(jié)選取供液量為5 L/min，1行截斷，設(shè)置矩形、圓弧形截斷寬度分別為0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm及1.4 mm，研究截斷寬度對微小通道冷板換熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 換熱性能隨截斷寬度的變化曲線

由圖4(a)、(b)可知，隨著截斷寬度的增加，矩形及圓弧形2種截斷形式下的冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)略有波動，但整體處于升高狀態(tài)；矩形截斷在截斷寬度為0.6 mm時，具有更低的冷板表面最高溫度和更高的對流換熱系數(shù)；這是因為截斷寬度不同，對流體擾動、混合作用的強弱不同，且截斷寬度的增加會導(dǎo)致流道換熱面積A的減小，2種因素的共同作用使得冷板表面最高溫度、對流換熱系數(shù)產(chǎn)生波動且在一定截斷寬度范圍內(nèi)整體升高。由圖4(c)可知，冷卻液流阻基本不受截斷寬度的影響，矩形截斷時，截斷寬度為1.2 mm時比0.4 mm提高了3.7%。從以上分析可知，不同截斷形式對應(yīng)的最佳截斷寬度不同，從冷板表面最高溫度考量，矩形截斷、截斷寬度0.6 mm可作為本文研究對象優(yōu)化設(shè)計的參考。

2.4 截斷間距對換熱性能的影響

本節(jié)在2.2節(jié)及2.3節(jié)仿真分析的基礎(chǔ)上，選取矩形截斷、截斷寬度0.6 mm，設(shè)置截斷間距分別為1行截斷、無截斷間距(1行×0 mm)，2行截斷、間距為3 mm(2行×3 mm)，2行截斷、間距為4 mm(2行×4 mm)，3行截斷、間距為3 mm(3行×3 mm)，3行截斷、間距為4 mm(3行×4 mm)及4行截斷、間距為3 mm(4行×3 mm)；研究供液量分別為3 L/min、4 L/min、5 L/min、6 L/min及7 L/min時，截斷間距對微小通道冷板換熱性能的影響，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同截斷間距下?lián)Q熱性能隨冷卻液供液量的變化曲線

由圖5(a)可知，不同截斷間距下，冷板表面最高溫度均隨著冷卻液供液量的增加而降低；行數(shù)相同時，小間距具有更低的冷板表面最高溫度，這是因為小間距時，截斷更集中和靠近熱源中心線，可有效降低表面最高溫度；4行×3 mm因為有最多的截斷而具有最低的冷板表面最高溫度，相比1行×0 mm，表面最高溫度降低達6.8%。由圖5(b)可知，對流換熱系數(shù)隨著冷卻液供液量的增加而升高；行數(shù)相同時，大間距具有更高的對流換熱系數(shù)，這是因為大間距時冷板殼體具有更低的均溫，而對流換熱系數(shù)和冷板殼體均溫負相關(guān)；4行×3 mm相比1行×0 mm，對流換熱系數(shù)提高達58.5%。由圖5(c)可知，隨著供液量的增加，冷板冷卻液流阻增大速度變快；行數(shù)相同時，流阻基本相同，受間距影響較小；4行×3 mm相比1行×0 mm，流阻提高了23.6%。從以上分析可知，在流阻滿足要求的情況下，4行×3 mm的截斷間距具有更佳的強化傳熱效果。

3 結(jié)束語

本文針對不同截斷方式，借助FloEFD軟件進行熱流耦合仿真計算及分析，研究了截斷對微小通道冷板換熱性能的影響規(guī)律，可為微小通道冷板的優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)：

(1) 截斷可有效提高微小通道冷板的換熱性能，且相比無截斷的微小通道冷板，在一定流量范圍內(nèi)截斷不會使流阻有較大升高；

(2) 矩形截斷相對圓弧形截斷具有更好的強化傳熱效果，且加工成型難度低；

(3) 不同截斷形式對應(yīng)的最佳截斷寬度不同，而合理的截斷間距可使截斷更集中和靠近熱源中心，從而更有效地控制冷板表面的溫升。