石墨烯對液冷冷板均溫性的影響

陳 楊，徐太棟

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

近年來，隨著相控陣?yán)走_的快速發(fā)展，T/R組件的熱流密度急劇增加，對相控陣?yán)走_散熱技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。隨著組件功率的提高，受到液冷冷板散熱效率的影響，功率器件之間的均溫性也會隨之惡化，而均溫性指標(biāo)會直接影響到組件的幅相一致性等電訊性能。[1]已有研究表明，相同功率器件的溫度差超過10 ℃后天線的波束空間合成性能將受到輸出信號相位差的影響，導(dǎo)致雷達電訊性能下降。[2]因此，采用合理的散熱方案以保證組件均溫性良好是提高組件電訊性能的重要保障。

石墨烯是以sp2鍵緊密排列碳原子而形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，單層石墨烯的導(dǎo)熱率就可以達到5 300 W/mK。[3]相控陣?yán)走_組件要求功放與冷板間良好接地，因此界面材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性。石墨烯導(dǎo)熱膜與基體材料易于實現(xiàn)強耦合、成本低且導(dǎo)電性好，相對于其他傳統(tǒng)界面材料更適合用于降低組件內(nèi)部接觸熱阻。[4]本文擬針對石墨烯導(dǎo)熱膜研究液冷冷板均溫性。

1 理論計算

1.1 理論分析

提高液冷冷板均溫性能主要方法就是提高冷板的換熱效率。從傳熱學(xué)的角度來看，影響冷板上各熱源之間均溫性的因素主要有以下幾點：

(1) 熱源分布形式：當(dāng)熱源沿冷卻液流向串聯(lián)分布時，由于冷卻液在流動時被加熱，造成了串聯(lián)下游的熱源更易溫度偏高，引起均溫性變差。由式(1)可知，冷板進出口溫差最終會反映在熱源間的均溫性上。因此，為了避免這一影響，在條件允許的前提下，熱源相對冷卻液流向應(yīng)盡量采取并聯(lián)分布方式，流道可以設(shè)計為樹狀分支結(jié)構(gòu)。

Q=cmΔT[5]

(1)

式中，Q為組件熱量，c為冷卻液比熱容，m為冷卻液質(zhì)量流量，ΔT為冷卻液進出口溫差。

(2) 冷板結(jié)構(gòu)：冷板的結(jié)構(gòu)會對熱源間的均溫性造成明顯影響。當(dāng)冷板局部流道翅片較密集、流量較大、對流換熱系數(shù)大時，其附近的熱源散熱良好，溫度偏低，反之熱源溫度偏高。這一因素最終也會引起熱源間均溫性變差。因此，各熱源間的冷板局部結(jié)構(gòu)趨同、流量分配均勻，是改善熱源間均溫性的一個辦法。

(3) 功率器件熱耗：從根本上講，熱源間溫差受冷板綜合熱阻與熱源熱耗兩者影響，如下式：

Δt=qR[6]

(2)

式中，Δt為熱源相對環(huán)境溫差，q為熱耗，R為冷板綜合熱阻。當(dāng)熱耗下降，熱源相對環(huán)境溫差也會下降，與之等比例地?zé)嵩撮g溫差也隨之縮小。

(4) 冷板熱傳導(dǎo)性能：冷板的熱傳導(dǎo)性能越差熱量越不易通過冷板的熱傳導(dǎo)快速擴展至水道壁面，對大面積散熱翅片的利用率會降低，局部熱點溫升就越高， 進而造成熱源間溫差被放大。因此，提高冷板熱傳導(dǎo)性能、降低局部熱點溫度能夠有效改善熱源間均溫性。

(5) 接觸熱阻：接觸熱阻的存在也會導(dǎo)致熱源間的溫差被放大，其機理與(4)類似。接觸熱阻的存在會使局部熱點的溫度更高，相對其他熱源的溫差被放大。同時，接觸熱阻的不確定性也引起了熱源間溫差的不確定性。因此，降低接觸熱阻也是改善組件熱源間均溫性的重要方法。在冷板設(shè)計中，流道設(shè)計往往受到功率器件排布的限制，無法提高換熱效率。那么，進一步減小接觸熱阻或者梯度性的設(shè)計接觸熱阻也是提高冷板均溫性的重要方法之一。

1.2 仿真計算

本文在試驗之前進行了基于計算流體力學(xué)的流固耦合傳熱數(shù)值仿真。仿真在ANSYS Workbench平臺下的Fluent模塊中進行。冷板冷卻介質(zhì)采用去離子水，入口流量2 L/min，每個熱源半徑10 mm、熱耗60，共加載6個熱源。考慮到冷板內(nèi)部流動較復(fù)雜，存在轉(zhuǎn)捩流動，對邊界層流動阻力和對流換熱性能具有重要影響[7-8]，流體粘度模型采用Transition SST模型[9]。該粘度模型在轉(zhuǎn)捩區(qū)域的表現(xiàn)優(yōu)于RNGk-ε、SSTk-ω等模型[10-12]。仿真基于SIMPLEC算法，離散格式均采用二階格式，網(wǎng)格劃分保證計算完成后流體近壁面無量綱數(shù)y+值不大于2。

圖1～4所示為仿真所得不同熱源功率情況下各仿真模型的溫度云圖。從圖中可以看到，沿著冷卻液流動方向，模擬熱源基座下方的溫度是上升的，這是由于冷卻液在流動過程中被加熱造成的溫差。但是，由于仿真計算時不考慮模擬熱源與冷板表面的接觸熱阻影響，會造成與實際結(jié)果的差異。

圖1 10 W/個模擬熱源仿真結(jié)果

圖2 30 W/個模擬熱源仿真結(jié)果

2 試驗測試

為了研究石墨烯對液冷冷板均溫性的影響，本文分別采用10、30、60和90 W的模擬熱源針對有無石墨烯導(dǎo)熱墊進行了傳熱試驗。模擬熱源及其安裝方式如圖5所示。

圖3 60 W/個模擬熱源仿真結(jié)果

圖4 90 W/個模擬熱源仿真結(jié)果

圖5 模擬熱源和模擬熱源的安裝

模擬熱源采用圓形陶瓷加熱片。安裝時首先將一個銅合金基座緊貼在冷板表面，然后將模擬熱源放置在銅合金基座上部的圓面上，再將聚四氟乙烯做成的方形隔熱蓋板放置在模擬熱源上部，最終用C型夾具將上述部件夾緊在冷板上，采用力矩扳手控制C型夾具的預(yù)緊力，保證各個熱源的夾緊力相同。

如圖6所示，銅基座下方設(shè)計了熱電偶溫度傳感器的放置槽，槽內(nèi)填充適量導(dǎo)熱硅脂，測量時使用銅基座將熱電偶壓在冷板表面與銅基座之間，測量所得為液冷冷板表面的溫度。

圖6 銅基座上的傳感器開槽和模擬熱源順序排布

3 結(jié)果分析

通過對10、30、60和90 W/個熱量的不同模擬熱源進行相同條件測試，并針對有無石墨烯導(dǎo)熱墊進行數(shù)據(jù)比對，具體對比圖表如圖7～10所示。

從圖7可以看出，當(dāng)模擬熱源為10 W/個時，由于總熱量較小，有無石墨烯導(dǎo)熱墊的溫度平均值分別為27.83 ℃和29.62 ℃，溫度差異在2 ℃左右，均方根差值分別為0.45和0.48，均溫性指標(biāo)并沒有明顯提升。

圖7 10 W/個模擬熱源測試對比

圖8表示了模擬熱源為30 W/個時液冷冷板各測試點溫度有所升高，有無石墨烯導(dǎo)熱墊的溫度平均值分別為33.2 ℃和39.8 ℃，溫度差異擴大為6 ℃左右，均方根差值分別為1.1和1.84，均溫性的差異開始顯現(xiàn)。

當(dāng)模擬熱源的熱量達到60 W/個時(如圖9所示)，液冷冷板各測試點溫度收到總熱量增加的影響，繼續(xù)升高，有無石墨烯導(dǎo)熱墊的溫度平均值分別為42.05 ℃和54.02 ℃，溫度差達到了12 ℃左右,方根差值分別為1.67和4.29，有石墨烯導(dǎo)熱墊的均溫性作用非常明顯，甚至好于30 W/個模擬熱源無石墨烯導(dǎo)熱墊的測試狀態(tài)，冷板散熱效率明顯提高。

圖8 30 W/個模擬熱源測試對比

圖9 60 W/個模擬熱源測試對比

當(dāng)模擬熱源的熱量達到90 W/個時(如圖10所示)，有無石墨烯導(dǎo)熱墊的溫度平均值分別為48.52 ℃和63.12 ℃，溫度差達到了15 ℃左右,方根差值分別為2.01和4.91，均溫性差異越來越明顯，冷板的散熱效率進一步提高。

圖10 90 W/個模擬熱源測試對比

4 結(jié)束語

本文對液冷冷板均溫性進行了理論分析、數(shù)值仿真，并對有無石墨烯導(dǎo)熱墊進行了對比分析。結(jié)論表明，石墨烯導(dǎo)熱墊能夠明顯降低熱源與冷板間的接觸熱阻，進而降低熱源的溫度，并改善熱源間的均溫性。在試驗測試工況下，同時采用石墨烯導(dǎo)熱墊能夠使液冷冷板熱源間溫度均方差相對無石墨烯導(dǎo)熱墊冷板降低23.13%，大幅度改善了組件熱源間的均溫性。