基于正交試驗的液冷板散熱性能的研究

趙如意

（常州工學院，江蘇 常州 213127）

0 引言

現階段，隨著電子技術的迅猛發展，電子設備廣泛應用在軍工、航空及船舶等眾多領域。新一代軍用設備的設計更趨于大功耗、小型化、輕量化。由于軍用設備復雜的工作環境，要求這些電子產品具備大容量的數據處理功能及較高的數據處理效率[1]。相應地，電子產品單位面積上產生的熱量會急劇增大，導致其長期處于一種惡劣的高溫環境中。因此，散熱結構的設計是確保設備持續可靠工作的必要環節。液冷板因其良好的換熱能力成為軍工生產領域較常用的散熱方法。

近年來，提升液冷板散熱性能的研究方案受到了眾多學者的關注。文獻[2]通過數值模擬，探究3種并串聯結構的流道布局對冷板冷卻性能和壓降損失的影響；文獻[3]對比常規蛇形流道與微流道冷板結構的換熱能力，發現微流道冷板的流阻相對較大，但其散熱效果優于常規蛇形流道幾倍；文獻[4]通過對設計的液冷板流道進行理論校核和仿真模擬，從而驗證流道設計的合理性；文獻[5]控制流道截面積不變，提出了矩形、圓形及雙層流道這3種冷板結構，并對其進行仿真計算和試驗分析。本文根據電子元器件的排布及功率大小，設計出一種帶肋片小通道的冷板流道形狀。利用仿真軟件分析小通道肋片尺寸參數對冷板散熱性能的影響，并通過正交試驗求解出最優肋片尺寸。

1 液冷板的散熱結構設計

以某軍用電子設備為例，該設備的工作環境溫度為40 ℃，材料為6061-T4鋁，最大外形尺寸為380 mm×250 mm×10 mm。為確保仿真的準確度，在不影響散熱路徑的前提下，修復各種倒角、螺釘螺母及不規則形狀[6]，模型簡化如圖1所示。模塊正面共有13個熱源，總發熱量為582 W。分別對上述熱源進行熱流密度計算，結果顯示中間8個圓形熱源為高熱流密度區，熱流密度最大為50÷（3.14×102）=15.92 W/cm2，故采用液冷散熱方式。

圖1 液冷板三維簡化模型

根據冷板表面的熱源位置進行內部流道走向設計，和直線型流道相比，S型流道結構影響了冷卻液的流動方向，從而導致對流換熱系數增大，一定程度上提高了冷板的散熱性能[7]。為加速高熱流密度區的散熱效率，在其正下方流道處增加帶肋片小通道，如圖2所示。該冷板主流道寬為8 mm，高為4 mm，肋片間距為2.5 mm，厚度為3 mm，長度為110 mm，進口流量為2 L/min。

圖2 流道結構圖

2 小通道液冷板的散熱仿真模擬

2.1 數值計算

利用ICEPAK軟件打開STEP格式的三維冷板模型，按照技術要求分別設置熱源對應的功率大小。進出口各設置1個opening，環境溫度設置為40 ℃，冷板材料設置為Al 6061-T4。由于本文設計的液冷板主要用于特定的軍用設備散熱，故冷卻液選擇乙二醇溶液，既可防凍，又能更好地適應各種復雜工作環境，設置流量為2 L/min，關閉熱輻射，流動方式為湍流。參數設置完后進行網格劃分，Mesh type選擇Mesh-HD的網格類型，其他參數按默認設置。

2.2 仿真結果分析

液冷板熱仿真結果如圖3所示。其中圖3（a）是冷板表面溫度云圖：冷卻液從冷板的左側進口流入，右側出口流出，因此進出口的溫度較低。整個冷板表面的最高溫度為65.0 ℃，主要熱量集中在中間8個熱源區域，冷板表面最低溫度為42.0 ℃，板面最高溫與最低溫相差23.0 ℃，中間8個熱源區域的最大溫差接近3.6 ℃。圖3（b）是冷板流道的壓力云圖，冷板流道最大壓力為19 458.5 Pa，在冷卻液進口處。沿著流道的走向，每經過一個90°拐角，壓力值迅速減小，直至出口處，壓力降為0。

圖3 小通道液冷板仿真結果

2.3 無小通道液冷板的散熱性能對比

保證流道橫截面積不變，將中間熱源區域的小通道結構去除，建立無小通道液冷板三維模型，設置相同的邊界參數和熱功耗，進行模擬分析。結果如圖4所示，冷板中心區域溫度最高為72.4 ℃，最大溫差接近6.2 ℃，最大壓力為31 802.3 Pa。對比圖3和圖4的溫度云圖，在邊界參數不變的情況下，小通道冷板表面最高溫度比無小通道冷板表面最高溫度降低了10%，由此可見增加小通道后的液冷板散熱性能顯著提高。

圖4 無小通道液冷板仿真結果

3 影響小通道散熱性能的因素研究

肋片是小通道流道的主要結構，其尺寸設計能直接影響液冷板的散熱性能及流阻。雖然小通道冷板的換熱性能較高，但是由于流道散熱面積的減小，同時會出現壓力過大的問題。故在設計小通道結構時需綜合考慮多種因素，如散熱能力、壓降、加工工藝等。控制冷板外形和流道走向不變，對小通道肋片尺寸參數進行分析優化。

3.1 肋片間距單因素影響分析

采用控制變量法，保證其他參數不變，只改變肋片間距進行仿真計算，結果如圖5（a）所示，在流道高度和肋片厚度一定的條件下，相鄰肋片之間的距離越大，冷板表面的溫度越高，流道熱阻越小。說明肋片間距的過度增加并不有利于冷板的散熱性能。肋片間距的增加導致冷板中心熱源區域的流道數減少，流道的換熱面積與冷板整體面積的占比也隨之減小，因此冷板表面溫升增大，總體的換熱效率降低。當冷卻液的流動范圍一定時，常常會通過減小肋片間距來控制肋片的數量，以此保證冷板的散熱性能。

3.2 肋片厚度單因素影響分析

其他參數保證不變，只改變肋片厚度。計算結果如圖5（b）所示，冷板表面溫度隨著肋片厚度的增加而先下降到最小值、隨后呈上升趨勢。肋片是沿著高度方向進行熱傳導，肋片厚度在1.5～2.5 mm之間，肋片厚度越大，肋片底部的熱量傳遞到肋片中間速度越快，冷板的散熱性能提高。當肋片厚度大于2.5 mm時，同等流動空間內肋片數量繼續減少，流道的換熱面積減小，散熱性能反而降低。由此可見，肋片厚度尺寸有一個相對最優解，范圍在2.0～2.5 mm之間，后續優化方案將參考此原則。

3.3 進口流量單因素影響分析

其他參數保證不變，只改變進口處冷卻液的流量。計算結果 如 圖5（c）所示，流量從1 L/min 到5 L/min，最高溫的差距越來越小。冷板表面溫度隨著流量的增大而減小，說明冷板的冷卻效果逐漸增加，但壓降呈逐漸上升趨勢。冷卻液流量小于3 L/min時，單位時間內的冷卻液隨著流量的增加而增加，冷板的散熱性能得以提高，但是冷板自身熱阻影響了熱量的傳遞速度，導致熱量無法及時傳遞給冷卻液，因此當流量大于3 L/min時，趨勢逐漸緩慢，散熱性能沒有很大提高。

圖5 散熱性能單因素影響分析

4 基于正交實驗法的流道結構參數對溫度的影響分析

通過上文單因素影響分析，可以發現肋片間距、厚度、進口流量都影響著冷板的散熱性能。實際應用中，如果流道結構參數設計得不好，很有可能會影響元器件的正常工作。針對以上問題，利用正交試驗[8-9]求解出肋片的最佳組合尺寸。本次試驗從上文單因素分析結果中選取了3個水平，如表1所示。

表1 影響因素水平表

查詢L9（34）正交試驗表來安排三因素三水平的試驗方案，如表2所示。表中含有9組不同的小通道結構參數尺寸組合，分別建立9種不同的冷板三維模型并進行熱仿真分析，得出的冷板表面最高溫度如表2最后一列所示。

表2 試驗方案和結果

由表2數據可以發現，肋片間距L的三水平各自所對應的平均數K1、K2、K3并不相等，說明L因素能影響冷板的試驗結果。根據K2＜K3＜K1，可以判斷L2是L因素的優水平。同樣，D2、Q3分別是D、Q的優水平。R是各列因素的極差。根據RQ＞RD＞RL，可以判定進口流量最能影響冷板的散熱性能，而肋片間距影響最小。

結合以上試驗結果分析，最終冷板流道尺寸定為：主流道寬為8 mm，高為4 mm，肋片間距為3 mm，厚度為2.5 mm，長度為110 mm，進口流量為3 L/min。重新建立冷板三維模型，進行仿真數值計算，結果如圖6所示，優化后的冷板表面溫度有所降低。

圖6 優化后的冷板溫度云圖

5 結論

利用ICEPAK仿真軟件，模擬分析了小通道冷板和普通S型流道冷板的散熱情況和壓降損失。同時又分別研究了小通道肋片間距、厚度及進口流量對冷板表面溫度、流道壓降的影響，結論如下：

1）在流道橫截面積相等的條件下，小通道冷板表面最高溫度降低了10%，其散熱性能明顯優于普通S型流道冷板。

2）通過單因素影響研究，可以發現肋片間距、厚度、進口流量都影響著冷板的散熱性能和壓降損失。根據正交試驗的極差值，判斷出進口流量最能影響冷板的散熱性能，而肋片間距影響最小。

3）在進行電子設備散熱設計時，溫度并非越低越好。要綜合考慮多方面因素的影響，如散熱能力、加工工藝和壓降等。