高熱流密度元器件冷卻用液冷板的研究及優化

戰斌飛 徐洪波 張海南 冷冬梅 田長青 周 遠

(1 中國科學院空間功熱轉換技術重點實驗室 北京 100190；2 中國科學院理化技術研究所 熱力過程節能技術北京市重點實驗室 北京 100190；3 中國科學院大學 北京 100049)

在數據中心、新能源汽車和航天航空等領域使用大量的高熱流密度元器件，液冷板因具有高效散熱的特性被廣泛應用。目前有許多專家和學者從事與液冷板高效散熱相關的研究。魏濤等[1]基于場協同原理,設計出一種菱形肋強化傳熱冷板，傳熱面積相同時,總溫差約為矩形肋冷板的83%。張根烜等[2]采用冷板流道內嵌矩形微小型肋片群，散熱能力達到常規蛇形通道冷板的4倍以上。李興東等[3]設計了用于電子器件散熱的豎向冷板，采用ANSYS軟件對不同結構的冷板流場、壓力場、溫度場進行了模擬分析。賁少愚等[4]選用了3種新型的鋸齒型翅片作為冷板內芯，以蒸餾水為介質對其特性進行了實驗研究,結果表明側向梯形鋸齒型翅片換熱性能較好。楊冬梅等[5]通過實驗數據驗證了8流道的微通道液冷板比常規冷板具有更優異的換熱性能。徐德好[6]通過對系列尺寸冷板進行分析對比和實驗驗證，得到了冷板基礎性的設計數據。張割等[7]基于液冷板設計理論進行仿真分析,研究了不同功耗下系統所需的流量及對應的芯片溫度和冷板壓損。劉明艷等[8]的研究結果表明,當量直徑在l μm～1 mm的微流道內,連續介質假設、N-S方程和傅里葉導熱定律仍然適用，一些適用于常規通道的經典公式仍然適用于微通道冷板的計算。張程賓等[9]研究了粗糙表面形貌對流動傳熱的影響，粗糙高度增大，有利于強化層流對流換熱；在相同粗糙高度情況下，粗糙度分布越不規則，越有利于強化層流換熱。方曉鵬等[10]基于散熱原理,采用往返式流道設計出一種低流量強化換熱冷板,僅需深孔鉆冷板的1/3流量即可實現與深孔鉆冷板相當的散熱性能。

目前與液冷板相關的研究主要以提高傳熱效率為目的，但針對液冷板板面溫度均勻性的影響因素和優化方法的研究很少。高熱流密度電子元器件除了對散熱高效要求外，對于空間內溫度均勻性的要求也越來越高。本文以提升液冷板板面溫度均勻性為目的，進行了一系列的性能實驗測試和優化設計研究。

1 液冷板模型及測試系統構建

1.1 液冷板初步設計及構建

本文設計制作了一個全鋁材質的微通道液冷板(300 mm×300 mm×15 mm)，采用單進口單出口，板面設置6個熱負載區(共計18個熱負載塊)，具體熱源分布如圖1(a～b)所示。熱源通過與液冷板緊密接觸導熱的方式，將熱量導向液冷板，被液冷板內流動的制冷劑帶走，從而實現散熱的目的。基于板面的熱源分布進行液冷板流道設計，初步將冷板的進出口設置在同側，制冷劑從液冷板進口流進主流道(即分液道)，在主流道向兩側6個熱負載區均勻分液，每個散熱分區再均布3條，保證每個熱負載塊下都有供冷卻用的通道。制冷劑主要在進行熱交換后，先匯集在側回流道，再在液冷板末端處匯集，最終流出液冷板，具體冷板結構和流道布局如圖1(c～f)所示。

圖1 液冷板板面熱源分布及流道結構

1.2 液冷板性能測試系統設計及搭建

液冷板性能測試系統原理如圖2(a)所示。該系統可以既達到無任何運動部件和極少的閥門穩定運行，又可以同時實現無動力驅動運行，還可以根據板面控制溫度和元器件散熱量需求對制冷劑流量進行有效控制。蓄冷儲液罐、電磁閥、接觸式液冷板、自吸泵通過管道串聯在一起；加熱增壓裝置設置在蓄冷儲液罐下半體內；溫度傳感器設置在接觸式液冷板上；控制器通過數據傳輸線分別與加熱棒或加熱帶、電子膨脹閥、溫度傳和自吸泵相連接。基于系統設計搭建如圖2(b)所示實驗臺。

圖2 冷板性能測試系統

當接觸式液冷板的溫度高于控制器設定的溫度，首先通過溫度傳感器檢測溫度信號，再通過溫度傳感器反饋支路傳遞到控制器，控制器做出反應，控制支路開啟節流裝置，制冷劑流入液冷板，在液冷板中發生相變帶走熱量；若溫度傳感器檢測到液冷板面的溫度不均勻性較大時，通過溫度傳感器反饋支路將信號傳給控制器，通過加熱增壓控制支路做出反應，開啟加熱增壓裝置，將蓄冷儲液罐內的壓力適當升高并保持，從而提高管路中的制冷劑的流量；若板面溫度均勻性仍不滿足要求，則通過自吸泵控制支路開啟自吸泵，在接觸式液冷板出口形成一個負壓環境，可再次提高管路中制冷劑的流量，最后達到設定要求。具體液冷板性能測試系統流程如圖3所示。

圖3 冷板性能測試系統運行控制流程圖

控制溫度設定為17 ℃；冷板板面布置6個溫度傳感器(T型)實時測量液冷板板面溫度，通過安捷倫采集儀及軟件實時記錄測試數據。板面的熱負載設置為300 W，所有熱量均勻分配在6個散熱區共計18個熱源塊上。室溫維持在20 ℃±0.5 ℃。電偶的布置位置如圖4所示。

圖4 液冷板板面溫度傳感器布置

2 液冷板性能測試

2.1 單相冷卻實驗測試

使用水作為制冷劑對液冷板進行實驗測試，進口水溫約為15 ℃，板面的總發熱量為300 W，其他系統部件未使用，在水冷卻實驗穩定運行后，采集板面溫度數據進行分析，水冷卻液冷板溫度變化如圖5所示。由圖5可知，液冷板用水冷卻時，整個板面最大溫差約在2 ℃，可以發現測點5記錄的溫度變化曲線整體較低，主要因為測點5的位置接近液冷板的進口，制冷劑從進口流入時的溫度較低，從而影響整體板面的溫度均勻性。

圖5 水冷卻液冷板溫度變化

2.2 相變冷卻實驗測試

基于經驗選取4種常見、不可燃且標準沸點較高的制冷劑進行對比分析：R22、R124、R142b、R236fa，具體物性如表1所示。制冷劑均不可燃，也就避免了最后選用的制冷劑在實際應用中由于局部溫度過高導致著火等不安全因素的存在。其中，R236fa的標準沸點最高，R22的標準沸點最低。

表1 4種制冷劑的物性參數

依次將4種制冷劑應用在液冷板中進行實驗研究，為了進行有效對比，選取系統穩定運行時的實驗數據(即液冷板板面溫度只在一定范圍內波動)，控制4次實驗液冷板板面的熱源總發熱量為300 W，進口壓力均控制在制冷劑本身標準沸點溫度對應的飽和壓力，控制溫度均設定為17 ℃，相同的實驗室室內溫度，其它部件在4種制冷劑實驗時控制相同。4種制冷劑應用的具體板面溫度曲線如圖6所示。

圖6 4種制冷劑用于液冷板運行溫度

4種制冷劑依次用作液冷板制冷劑，液冷板的板面溫度均勻性由圖6可知，按照從R22、R124、R142b、R236fa的應用順序，液冷板的板面溫度均勻性依次變好，即使用R22液冷板的板面溫度均勻性最差，R236fa的板面均勻性最好。其中，R236fa的標準沸點最高，R22的標準沸點最低。

綜上所述，液冷板選用不同的相變制冷劑，板面的溫度均勻性也不同，且液冷板板面的溫度均勻性與選用的相變制冷劑的標準沸點有關，即相變制冷劑的沸點越高其液冷板板面溫度越均勻。根據實驗數據的研究和分析，優先選用R236fa作為液冷板的制冷劑。

表2所示為液冷板板面6個測點的平均溫度。由表2可知，測點5和測點6的的平均溫度最低，測點1和測點2的平均溫度最高，因為測點5和測點6所處的熱源區距離液冷板的進口近，測點1和測點2距離液冷板的進口遠，說明測點到液冷板進口的距離會影響液冷板板面的均勻性，距離液冷板進口越近的測點其溫度越低，反之距離越遠的測點溫度越高。

表2 使用R236fa液冷板板面各測點的平均溫度

對使用R236fa的實驗數據匯總并進一步分析，可以看出，其在4種制冷劑使用中，板面溫度均勻性最好，但其液冷板板面的溫度溫差仍然較差，因為平均溫度最高的點和平均溫度最低的點溫差達約2.6 ℃。此外，雖然兩相蒸發換熱可以有效利用相變蒸發換熱原理實現高效冷卻，降低制冷劑流量，但對比水冷卻實驗數據，可以看出使用兩相制冷劑會導致板面的溫度均勻性變差。

通過實驗測試結果可得，初步模型性能還存在優化空間，例如流道可進行仿真研究，根據仿真結果優化流道布置并確定最優化方案。

3 液冷板性能優化

鑒于該液冷板結構還存在優化空間，分析其可能存在的問題：分液不均、流道無擾流結構以及制冷劑在各流道間相互影響等。所以針對第1個問題，對液冷板不同的流道設計進行仿真優化研究；針對第2個問題，在流道腔內增加擾流結構；針對第3個問題，將單進口單出口改為單進口多出口設計。由于液冷板板面冷卻性能測試需要布置6個區域熱源，所以本次設計對應各熱源區域設置單獨的換熱腔，減小各區域之間的相互影響。

3.1 液冷板流道優化方案設計

基于上面的設想，提出了雙通道六腔(a)、雙通道橫柱六腔(b)、雙通道斜柱六腔(c)、雙通道斜柱開孔六腔(d)4種優化方案，其中雙通道指的每個換熱腔與主流道之前有兩條通道，該設計可以增加換熱腔的進液流量和減少單進口過小而造成堵塞的問題；依次增加橫柱、斜柱或開孔的設計，是為了增加對流體的擾流作用，增強流體與流道壁面的表面傳熱系數，促使制冷劑在流道內進行充分換熱，流道設計方案如圖7所示，最后進行相應的仿真研究及對比。

圖7 新型液冷板流道設計方案

3.2 液冷板性能優化仿真驗證

設置液冷板流道上壁面均勻受熱即均勻熱流，設置流道下壁面為絕熱，熱負載仍為300 W，液冷板流道進口設置為相同的流量進口，液冷板流道出口設置為相同的壓力出口，制冷劑選為單相水冷卻，針對設計方案里面存在擾流設計，故將流體湍流模型設置為k-ε模型，利用Fluent軟件進行仿真模擬。

4種流道設計方案的速度場模擬結果如圖8所示。由圖8可知，按照(a)～(d)的順序，從開始某些區域存在分流不均，直至最后的制冷劑可以在流道內分液相對均勻，因為無液或少液的流道設計其板面溫度均勻性一定差，所以方案(d)與其它3種方案相比，具有最佳的分液均勻優勢及提升板面溫度均勻性的優勢。

圖8 4種流道設計方案的速度場模擬結果

4種流道設計方案的溫度場模擬結果如圖9所示。由圖9可知，按照(a)～(d)的順序，從開始某些區域存在局部熱點，直至最后的制冷劑可以在流道內相對受熱均勻，而流道內工質的溫度的均勻性可以直接影響最后液冷板板面溫度的均勻性。這一結果也再次證實速度場得出的結論，即雙通道斜柱開孔六腔的設計相比其它3種設計是最優的。

圖9 4種流道設計方案的溫度場模擬結果

3.3 液冷板性能優化實驗驗證

按照確定好的液冷板流道優化設計方案進行加工和組裝，為了裝配便利，將液冷板進行分體加工，主要分為基板和蓋板兩部分，蓋板和基板共同組成完整液冷板。d-流道設計結構及組裝如圖10所示。

圖10 d-流道設計結構及組裝

對于新加工的液冷板調整性能測試實驗臺：為了全方位了解液冷板板面的溫度變化情況，在各熱源區域分別布置兩個溫度測點；為了進一步通過調節各換熱腔出口的壓力來實現對各換熱腔制冷劑流量的調控，在6個出口各增設一個可調開度手閥和一個即測即顯壓力表。溫度測點的布置、出口手閥和壓力表的設置以及實驗臺的搭建如圖11所示。實驗測試使用R236fa進行調試，測試開始前，出口手閥均調為最大開度，同時電磁閥調控范圍設定為17 ℃±1 ℃。

圖11 測點布置、出口設置和實驗臺搭建

為了快速調節和減少各出口之間的相互影響，設計了可調節多出口流量的方法，如圖12所示。考慮到處于遠端的熱源換熱腔所需的制冷劑流量相對其他換熱腔要多，主要思路是先調節遠端橫向兩個熱源腔板面溫度到一致，然后以其中一個換熱腔板面溫度為參照，豎向調節相近的未調節的換熱腔對應的出口開度，使兩腔溫度一致后，再次重復橫向調節步驟，橫向調節完畢以后，確認橫向兩腔與前面橫向兩腔相對應的溫度是否接近。若有較大溫差，重復第二步豎向調節；若滿足要求，繼續后面的豎向調節。

圖12 液冷板出口流量調節流程圖

調節出口開度過程板面溫度變化如圖13所示。由圖13可知，溫度波動的范圍隨著調節進程逐漸變小，按照提出的調控液冷板出口開度的方法確實有效提高了板面的溫度均勻性，證實了該方法的有效性。

圖13 調節出口開度過程板面溫度變化

調試完成后，對系統再次運行測試，選取穩定運行時的溫度數據繪制曲線進行分析對比，調整后液冷板板面溫度變化如圖14所示。由圖14可知，相比調節之前，系統穩定運行時液冷板板面溫度的變化幅度明顯變小，即液冷板板面的溫度均勻性有了極大的提高。

圖14 調整后液冷板板面溫度變化

調整后各測點的平均溫度如表3所示。由表3可知，測點10的溫度比其他測點溫度都要高，一方面是由于其測點遠離進口，另一方面，在換熱腔內可能存在分液不均或測點過于靠近熱源等問題，所以在后續實驗中還需進一步確認和排除。從其他測點采集的溫度實時數據和平均值來看，液冷板板面溫度最大溫差約在2 ℃以內，已經接近單相水冷卻液冷板板面溫度的均勻程度，這也說明相變液冷板板面溫度均勻性測試和優化的研究工作取得了較大進步。

表3 調整后各測點的平均溫度

4 結論

本文建立了一個單進口單出口的液冷板模型并加工實體，以提高液冷板板面溫度均勻性為目的，設計了液冷板測試系統及其運行控制方案，進行性能測試。在相同的工況條件下，控制板面溫度為17 ℃，熱負載為300 W，室溫維持在約20 ℃，選用水、多種相變制冷劑分別作為制冷劑進行實驗測試；提出優化液冷板流道的方案，進一步基于確定的流道結構進行加工和裝配，利用CFD仿真和實驗兩種方法確認優化方案的有效性，最終實現液冷板板面溫度均勻性的有效提升，得到如下結論：

1)水為冷卻工質時，板面溫度最大溫差在2 ℃以內；選用4種制冷劑進行測試，按照R22、R124、R142b、R236fa的順序，液冷板的板面的溫度均勻性依次變好，其中使用R236fa時，板面溫度最大溫差為2.6 ℃。推斷出液冷板板面的溫度均勻性與選用的相變制冷劑的標準沸點有關，即相變制冷劑的沸點越高，其液冷板板面溫度越均勻。

2)在相變冷卻實驗測試中，液冷板進口處的溫度相對較低，會影響整體液冷板板面的均勻性，反之距離進口越遠的測點溫度越高；與水單相冷卻實驗對比，使用兩相制冷劑會導致板面的溫度均勻性變差。

3)基于提出的4種液冷板設計方案，通過相應的單相仿真模擬計算，最終確定雙通道斜柱開孔六腔設計的流道設計方案最好，即該方案流道分流最均勻且溫度場局部熱點最少。

4)通過對比實驗中調節手閥開度前后板面溫度的均勻性，可以驗證已提出調節方案流程的有效性。從實驗中實時采集的溫度數據和平均值來看，液冷板板面溫度最大溫差最終可以控制在2 ℃以內，接近單相水冷卻液冷板板面溫度的均勻程度。