微小流道冷板換熱性能研究

張 星

(南京科瑞達電子裝備有限責任公司,江蘇 南京 211100)

0 引 言

隨著電子器件、電子信息系統的發展,芯片、組件等器件的熱流密度越來越高,部分器件的熱流密度從100 W/cm2增加到1 000 W/cm2。為確保電子器件工作在合適的溫度范圍內,需要采用微小通道液冷、兩相流等高效冷卻方式進行冷卻[1]。冷板是電子設備間接液冷系統的核心部件,微小流道冷板因流速高、對流換熱面積大,散熱能力比常規流道強,較多地使用在高熱流密度冷卻場合。對于多熱點電子器件、設備液冷冷板散熱,目前控制熱源溫度和均溫性主要根據不同器件的熱耗分布,結合串聯、并聯流道設計,精確控制各點的流量分布,同時在高熱流密度局部疊加強化換熱微小流道結構,實現最佳換熱性能[2]。

冷板流道結構對流體流動和換熱性能影響較大,在冷板內部流道增加擾流柱可以顯著提高冷板的傳熱能力。李紀元等[3]對不同擾流柱結構冷板傳熱性能進行了研究,從降低熱源溫度和流阻角度進行冷板擾流柱設計,水滴柱擾流結構冷板相較于無擾流冷板,散熱效果提高了60%左右。張甫仁等[4]研究了不同的通道與陣列翅片組合形式、進出口寬度、翅片大小和上下冷卻槽間距對電池熱管理的影響。余小玲等[5]設計了一種基于S型槽道結構并在其中內置分流片的新型冷板,研究表明在相同進口流速的情況下,新型冷板具有更好的流動換熱性能。現有冷板換熱性能的研究大都是通過數值模擬以及試驗測試的方法對散熱能力進行分析,得到冷板不同流道結構形式對散熱性能的影響[6-12]。

為進一步提高換熱性能,降低熱阻,本文對冷板微通道結構形式進行研究,采用串并聯、微小通道與常規通道相結合的形式,綜合仿真對比微小流道區域矩形長直流道、圓形擾流柱、菱形擾流柱3種流道結構形式在流動特性、換熱特性方面的差異,為冷板優化設計和工程應用提供參考。

1 模型建立

1.1 設計計算

忽略環境輻射,根據能量守恒,當達到穩態時,電子器件的發熱轉化為循環冷卻液體的溫升和冷板自然散熱兩部分:

(1)

(2)

一般取T2-T1=5 ℃,根據公式(1)可以確定液體流量。

1.2 幾何模型

某集成冷板的正、反面外形及器件分布如圖1和圖2所示,電子器件通過基板或直接貼裝在冷板表面。冷板三維示意圖如圖3所示,冷板采用兩進兩出,冷卻液從進液口進入冷板進行強迫液冷,帶走電子器件熱耗,再由出液口流出冷板。通過冷板散熱保持電子設備在可靠的工作范圍內,同時保證同類器件的均溫性。

圖1 冷板正面

圖2 冷板反面

圖3 冷板三維示意圖

1.3 流道設計

集成冷板具體熱點分布及功耗大小如圖 4所示,冷板前端正反面布置總功耗1 920 W的小體積芯片,單個芯片熱流密度達到140 W/cm2。冷板總熱耗超3 000 W。根據熱源熱耗大小及分布,主流道及小功耗器件區域采用常規流道,高熱流密度器件區域采用寬高為1 mm×1.5 mm的微小流道強化換熱,并采用串聯、并聯結合的方式合理分配、控制各區域流量[13]。在高熱流密度區域分別設計矩形長直流道、圓柱形擾流柱、菱形擾流柱3種微小流道結構形式。

圖4 冷板熱點分布

根據器件熱耗及分布進行冷板流道設計。如圖5所示,采用矩形微小通道與常規通道串、并結合的方法,合理控制不同發熱器件安裝區域的溫升并有效降低流阻,并對微小通道進行截斷設計,在強化傳熱的同時,釋放了微小通道區域流道堵塞的風險。

圖5 矩形流道冷板

如圖6所示,熱流密度較高區域采用圓形繞流柱微流道,通過圓柱擾流破壞溫度邊界層,增強對流換熱系數,達到局部強化換熱的效果。

圖6 圓形擾流柱冷板

如圖7所示,在熱流密度較高區域采用菱形繞流柱微流道,通過菱形擾流,破壞溫度邊界層,增強對流換熱系數,達到局部強化換熱的效果。在流道保持同一間隙和深度下,對比圓柱擾流和菱形擾流的換熱效果。

圖7 菱形擾流柱冷板

2 傳熱數值模型

冷卻液的入口溫度取40 ℃,出口壓力默認為1個大氣壓,發熱器件為恒定熱流,約為3 000 W。為簡化分析,作以下假設[14]:

(1) 冷卻液為不可壓縮液體,密度恒定不變;液體、固體區域的熱物理性質是恒定的。

(2) 入口設置為體積流量入口,出口設置為壓力出口。

(3) 冷卻液的流量和電子器件的熱量在傳熱過程中穩定不變。

(4) 忽略熱輻射,冷板與空氣接觸為自然對流,對流傳導率為4 W/m2。

(5) 忽略重力和黏性耗散。

對流體微元體建立質量方程如下:

▽·(ρu)=0

(3)

動量方程:

(u·▽)ρu=-▽P+μ▽2u

(4)

能量方程:

(5)

式中:▽為遷移導數;ρ為冷卻液密度;u為冷卻液流速;μ為冷卻液動力粘度;P為冷卻液壓力;λ為冷卻液導熱系數;Cp為冷卻液比熱容。

3 仿真計算與分析

3.1 仿真模型

采用固液耦合流體仿真計算,建立仿真模型,建立流體域,在流固接觸面進行網格加密處理。圖8～圖10分別為3種流道結構冷板的流體域。

圖8 矩形流道冷板流體域

圖9 圓形擾流柱冷板流體域

圖10 菱形擾流柱冷板流體域

3.2 仿真邊界條件

根據公式(1),計算得到單塊冷板的流量。設定集成冷板入口體積流量為11.2 L/min,冷卻介質為65#航空冷卻液,供液溫度為40 ℃;集成冷板所處環境溫度為50 ℃。

在同一邊界條件下,針對矩形流道、圓形擾流柱、菱形擾流柱3種流道集成冷板分別進行流熱仿真計算,對比分析3種流道結構的流動和傳熱特性。

3.3 仿真結果

3.3.1 傳熱特性

圖 11為矩形流道冷板表面溫度云圖,冷板表面最高溫度為88.5 ℃,高熱流密度芯片區域均溫性為 10 ℃。

圖11 矩形流道冷板表面溫度云圖

圖12為圓形擾流柱流道冷板表面溫度云圖,冷板表面最高溫度為66.2 ℃,高熱流密度芯片區域均溫性為7 ℃。

圖12 圓形擾流柱冷板表面溫度云圖

圖13為菱形擾流柱流道冷板表面溫度云圖,冷板表面最高溫度為64.7 ℃,高熱流密度芯片區域均溫性為2.3 ℃。

3.3.2 流動特性

圖14為矩形流道冷板內部流體壓力分布圖,入口處靜壓為279 005 Pa,出口處靜壓為101 325 Pa,流動阻力為1.78×105Pa。

圖14 矩形流道冷板內部流體壓力分布

圖15為圓形擾流柱流道冷板內部流體壓力分布圖,入口處靜壓為278 869 Pa,出口處靜壓為101 325 Pa,流動阻力為1.77×105Pa。

圖15 圓形擾流柱冷板內部流體壓力分布

圖16為菱形擾流柱流道冷板內部流體壓力分布圖,入口處靜壓為282 718 Pa,出口處靜壓為101 325 Pa,流動阻力為1.8×105Pa。

圖16 菱形擾流柱冷板內部流體壓力分布

3.4 對比分析

根據仿真結果,對矩形流道、圓形擾流柱、菱形擾流柱3種流道集成冷板表面最高溫度、同類器件均溫性、流動阻力指標進行對比,如表1所示。菱形擾流柱取得最低的冷板表面最高溫度為64.7 ℃,散熱效果提高了27%左右,并且同類器件均溫性最好,約為2.3 ℃。3種結構形式的流道流動阻力基本相當。

表1 不同流道結構冷板換熱性能對比

4 結束語

針對高熱流密度電子器件散熱問題,提出了一種串、并聯結合的微小通道散熱集成冷板,根據電子器件分布及功耗大小對冷板流道進行設計和優化。通過簡化傳熱數值模型,對3種流道結構冷板進行熱流仿真計算,并對比分析了換熱性能和流動性能,得出以下結論:

(1) 在同一邊界條件下,冷板表面溫度、同類器件均溫性受流道結構形式影響較大。菱形繞流柱換熱效果最佳,流體流經菱形擾流柱,產生擾流,在流體未充分發展前破壞溫度邊界層,從而強化換熱。使用菱形擾流柱形式的微流道與矩形流道相比,最高溫度降低23.8 ℃,均溫性減小7.7 ℃。

(2) 菱形繞流柱微小流道冷板能解決熱流密度140 W/cm2器件散熱問題,滿足冷板表面最高溫度≤65 ℃,均溫性≤2.5 ℃的技術要求。