基于ANSYS ICEPAK的混合擾流微通道冷板的研究與優(yōu)化

吳軍榮　秦海波　戴燕

摘要：微通道是一種新型高效的散熱技術(shù)，可以在有限的尺寸內(nèi)極大地提高系統(tǒng)的對流換熱能力.本文通過ICEPAK軟件仿真模擬不同材料的冷板，分別對比蛇形、常規(guī)微通道、斷齒微通道和擾流微通道冷板對散熱性能的影響，得到不同通道冷板的綜合性能.研究結(jié)果具有工程應(yīng)用價(jià)值，為高熱耗的電子設(shè)備散熱問題提供參考.

關(guān)鍵詞：微通道;冷板;高熱耗

中圖分類號：TK124? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0084-02

隨著現(xiàn)代電子設(shè)備向著微型化、集成化發(fā)展，導(dǎo)致電子設(shè)備熱流密度越來越大，散熱越發(fā)困難.而高溫是電子設(shè)備失效的重要因素，一般而言，電子設(shè)備的溫度升高10℃時(shí)，失效率往往會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級，這就是所謂的“10℃法則”.如何在有限的尺寸空間內(nèi)，帶走電子設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的高熱耗，是亟待解決的難題.近年來，隨著微制造技術(shù)的發(fā)展，微通道冷板以其高效的換熱能力日益受到關(guān)注[1].

在微電子等行業(yè)中，電子器件的尺寸很小，排布很密集，熱流密度很大，在有限的排布空間內(nèi)，對熱設(shè)計(jì)的要求很高.經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，微通道的散熱器的換熱能力高達(dá)300MW/m3.K[7].最早開展微通道散熱研究的是兩位美國學(xué)者，近年來中國的學(xué)者也開始著手研究.從目前研究現(xiàn)狀來看，雖然對微通道內(nèi)液體的流動(dòng)、對流換熱特性和肋片形式已進(jìn)行了一系列的研究工作，但所得研究結(jié)果并不如人意，且沒有對整個(gè)斷齒、擾流等通道有過深入研究;且目前使用的一些冷板材料，導(dǎo)熱性能不夠好，受焊接形式的限制，焊接變形不易控制，而且工程應(yīng)用中沒有混合微槽道的換熱和流動(dòng)的影響研究，不能滿足指導(dǎo)微電子機(jī)械系統(tǒng)和微通道冷板熱設(shè)計(jì)的需要.因此有必要開展一種新型的鋁合金混合微通道冷板的研究，研究結(jié)果具有非常重要的工程應(yīng)用意義.本研究主要對冷板的散熱能力和對流換熱特性進(jìn)行分析研究.

1 冷板鋁合金材料的選擇

對比工程中常用的鋁合金性能如表1所示，目前水冷板中常用的鋁合金是5系列的.

5系列鎂鋁合金具有良好的抗蝕性、可焊接性和中等強(qiáng)度等性能.但是，5系列鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)不如6系列高，且熱處理后的強(qiáng)度沒有6系列高.因此，綜合表1，本研究擬選用6063-T6鋁合金材料.

2 冷板的設(shè)計(jì)和研究

2.1 多種冷板模型的建立

本文在ICEPAK熱仿真軟件中自建所有的冷板三維模型.本次研究冷板的尺寸為200mm×100mm×10mm，水道截面為10mm×6mm，共有三條蛇形水道.如圖1所示：

假設(shè)一個(gè)50mm×40mm×5mm模擬熱源熱耗500W，直接安裝在冷板上方，忽略冷板與熱源接觸面之間的熱阻.模擬初始環(huán)境溫度20℃，冷卻液為蒸餾水，入口流速為1m/s，出口為壓力出口類型.

2.2 仿真結(jié)果分析

在設(shè)計(jì)初始條件相同的情況下，經(jīng)過軟件模擬分析，得到的溫度云圖結(jié)果如下：

從圖2的結(jié)果可以得到，普通蛇形水道散熱效果最差，熱源溫升高達(dá)69℃;多段擾流式蛇形微通道散熱效果最好，熱源溫升30℃;直板蛇形水道和多段式蛇形微通道散熱效果相當(dāng)，且直板式略有優(yōu)勢，這說明僅僅將微通道分段不做擾流處理，并不能帶來改善效果，湍流程度越大，散熱效果越好.因此，從改善散熱角度考慮，應(yīng)該采用最后一種散熱方式.

液冷系統(tǒng)的流阻也是實(shí)際工程應(yīng)用中需要考慮的部分，流阻越大，供液泵的供液壓力要求越高，系統(tǒng)越復(fù)雜.而微通道定比普通水道流阻大，因此需要做更優(yōu)化的設(shè)計(jì)和研究.四種水道的壓降云圖如圖3所示.

從后處理結(jié)果可以得到，水道越復(fù)雜，系統(tǒng)的流阻越大.（d）的壓降是（a）的三倍，因此，在降低溫度的同時(shí)，需要降低微通道水道的流阻.由于蛇形水道越長，流阻一定越大，而微通道的降溫能力很強(qiáng)，因此，可以將蛇形水道長度縮短，等體積增加水道面積的基礎(chǔ)上，減小微通道流阻.

2.3 流道優(yōu)化計(jì)算

改善后的擾流微通道經(jīng)過軟件仿真計(jì)算溫度云圖和壓降云圖如下圖4、圖5所示.

從結(jié)果可以看出，改善后的水道不僅帶來8℃以上的溫降，且降低了接近一倍的流阻.因此，這種設(shè)計(jì)比較合理.但是，總體來說，微通道冷板的流阻還是比普通冷板的流阻大.

3 結(jié)論

通過ICEPAK軟件仿真比較了多種微通道蛇形冷板和常規(guī)蛇形冷板的流阻性能和換熱性能的差異.微通道冷板的流阻明顯大于普通蛇形水道，但微通道冷板的散熱能力是普通蛇形冷板散熱能力的好幾倍，且改善微通道的形式散熱能力還可以繼續(xù)優(yōu)化.通過多種對比結(jié)果，減小水道總的長度，增加微通道冷板單個(gè)水道的截面積，是比較合理的減小流阻的方法.

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參考文獻(xiàn)：

〔1〕侯亞麗，等.矩形微通道中流動(dòng)阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（6）：13-17.

〔2〕李春林.矩形槽道微通道冷板制造工藝技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2009（4）：38-40.

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〔4〕呂洪濤.微通道冷板的特性研究[J].2014年電子機(jī)械與微波結(jié)構(gòu)工藝學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2014.163-167.

〔5〕任蘇中.當(dāng)代航空電子系統(tǒng)熱管理[J].航空電子，1994（8）：55-56.

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〔7〕Frank P.Incropera，liquid cooling of electronic devices by single-phase convection[J]，John Wiley&Sons，Inc，1999.