基于模型確認(rèn)的ASAAC標(biāo)準(zhǔn)均溫板模塊熱響應(yīng)分析研究

武雅麗

（1.西南電子技術(shù)研究所，成都 610036； 2.四川省空天電子裝備環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，成都 610036）

引言

電子設(shè)備的高性能、高可靠性、高精度以及小體積、輕量化的發(fā)展要求使其集成度、功率以及熱流密度越來越高[1]。其中，過高的熱流密度會(huì)影響電子元器件的性能參數(shù)，比如通態(tài)電阻、正向壓降、閾值電壓、導(dǎo)通電流等參數(shù)均會(huì)隨溫度的變化而變化；甚至還會(huì)引起芯片熱失效和應(yīng)力損失，縮短元器件的使用壽命[2]。因此，有效解決電子元器件的散熱問題是保證其性能的前提。目前，常用的散熱方式有自然散熱、風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱等。其中熱管是一種相變傳熱元件，通過工質(zhì)相變傳熱，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)銅的幾倍甚至幾十倍。具有導(dǎo)熱性高、均溫性好等優(yōu)點(diǎn)，在各民用領(lǐng)域電子設(shè)備的散熱中廣泛應(yīng)用。由于熱管傳熱維度有限，獨(dú)立熱管無法滿足電子設(shè)備的散熱需求，為充分利用熱管的高傳熱特性，將熱管與銅板或鋁板結(jié)合形成均溫板是目前常用的一種方式。

國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)對(duì)均溫板展開了廣泛的研究，且取得了較大進(jìn)展。Deng等人[3]提出一種復(fù)合多孔均溫板（CPVCs），在蒸發(fā)端徑向均勻布置溝槽，這種徑向的多通道使得流體工質(zhì)快速回流時(shí)液壓阻力更小，與傳統(tǒng)普通冷板相比，CPVCs的溫度均勻性更好。Chen[4]等人設(shè)計(jì)出了一種新型超薄均溫板（UTVC）,該超薄均溫板在結(jié)構(gòu)將微柱陣列和銅質(zhì)網(wǎng)狀內(nèi)芯結(jié)合，導(dǎo)熱系數(shù)是純銅的30倍，在反重力方向上，最大導(dǎo)熱性能僅降低11 %。Velardo[5]等人基于數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)均溫板展開研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱源尺寸從20×20 mm變?yōu)?5×35 mm，均溫板等效導(dǎo)熱系數(shù)從1 900 W/m·K上升至2 400 W/m·K，結(jié)果表明熱源尺寸的差異會(huì)導(dǎo)致均溫板內(nèi)相變和傳熱過程差異，進(jìn)而影響均溫板熱性能。Koukoravas[6]等人為了改善均溫板冷凝端的冷凝性能，設(shè)計(jì)了一種混合潤(rùn)濕性表面來替代傳統(tǒng)金屬內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凝端表面有65 %處于超親水狀態(tài)時(shí)，均溫板的導(dǎo)熱熱阻最小。

均溫板優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，使其在軍用領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注和研究。軍用電子設(shè)備與民用電子設(shè)備相比，前者所處的環(huán)境條件更惡劣且工況多變，且內(nèi)部器件的熱流密度更大，散熱要求也更高。因此，基于實(shí)際工程項(xiàng)目需要，選擇航空機(jī)載平臺(tái)典型產(chǎn)品ASAAC模塊作為研究對(duì)象。為了提高航空機(jī)載平臺(tái)典型產(chǎn)品ASAAC模塊的散熱性能，把模塊內(nèi)關(guān)鍵傳熱路徑上的鋁合金（6061）材質(zhì)更換為均溫板。基于模型確認(rèn)，通過數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證展開對(duì)均溫板的熱響應(yīng)分析研究，為航空機(jī)載平臺(tái)同類產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提供參考。

1 ASAAC模塊（鋁合金）熱響應(yīng)分析研究

1.1 仿真模擬

1.1.1 物理模型

根據(jù)實(shí)際情況為研究對(duì)象建立物理模型，模型整體由ASAAC模塊與液冷夾具組成，如圖1所示，模塊通過鎖緊條安裝在液冷夾具中，使模塊肋條的一面與夾具的導(dǎo)軌直接接觸，形成一條關(guān)鍵傳熱路徑，夾具上下兩側(cè)各有一條獨(dú)立的液冷流道。ASAAC模塊外形結(jié)構(gòu)尺寸為233 mm（長(zhǎng)）×160 mm（寬）×24 mm（厚），模塊由蓋板、冷板、PCB印制板和兩個(gè)同規(guī)格的發(fā)熱器件構(gòu)成。

圖1 ASAAC模塊與液冷夾具總裝圖

1.1.2 控制方程

文中使用CFD軟件FloEFD對(duì)傳熱模型進(jìn)行模擬分析計(jì)算，流動(dòng)區(qū)域的控制方程如下[7]：

固相區(qū)域的控制方程如下：

式中：

T—溫度；

p—壓力；

k—導(dǎo)熱系數(shù)；

cp—比熱容；

μ—?jiǎng)恿φ扯龋?/p>

ρ—密度。

1.1.3 網(wǎng)格劃分

文中網(wǎng)格劃分由FloEFD軟件完成，該軟件使用RAM技術(shù)（矩形自適應(yīng)網(wǎng)格），能自動(dòng)進(jìn)行固體和流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分，本次仿真將全局網(wǎng)格劃分設(shè)置后，對(duì)冷板流道近壁面邊界層區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示，計(jì)算域尺寸：426 mm×443 mm×540 mm，網(wǎng)格總數(shù)：1 790 807，其中流體網(wǎng)格數(shù)目891 201，固體網(wǎng)格數(shù)目：899 606。

圖2 網(wǎng)格劃分效果圖

1.1.4 求解設(shè)置

設(shè)置分析類型為“外部流動(dòng)”，空氣溫度8 ℃，在液冷夾具的流道進(jìn)出口創(chuàng)建封蓋建立流體子域，流道入口處邊界條件為入口體積流量（1 LPM），并設(shè)置靜壓監(jiān)控，流道出口處邊界條件為環(huán)境壓力（101 325 Pa，8 ℃），該子域流體工質(zhì)為65號(hào)防凍液，仿真將分別對(duì)工況1（供液溫度10 ℃）、工況2（供液溫度30 ℃）與工況3（供液溫度50 ℃）進(jìn)行求解計(jì)算。仿真過程中涉及的所有材料物性參數(shù)如表1所示。

表1 材料物性

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與原理

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

ASAAC模塊安裝在夾具中，夾具內(nèi)置液冷流道，與液冷源接通后，液冷源泵出的冷卻液通過夾具帶走發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱量。可通過調(diào)節(jié)液冷源的供液溫度和流量，間接控制模塊的邊界條件。模塊內(nèi)部使用發(fā)熱電阻模擬工作芯片，發(fā)熱電阻連接直流電源后，通過調(diào)節(jié)電壓和電流，使發(fā)熱電阻的發(fā)熱量處于規(guī)劃狀態(tài)。發(fā)熱電阻表面貼裝了熱電偶，通過數(shù)據(jù)采集儀得到實(shí)時(shí)溫度值。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方案

1）在模塊中的規(guī)定位置安裝發(fā)熱電阻和熱電偶（圖3）；

圖3 安裝熱電偶及發(fā)熱電阻

2）將模塊安裝在測(cè)試夾具中；

3）通液，保持流量為1 L/min、供液溫度為10 ℃；

4）依次調(diào)整發(fā)熱電阻供電的電壓和電流值，并等待其溫度穩(wěn)定后，記錄數(shù)據(jù)；

5）保持流量不變，改變供液溫度為分別30 ℃、50 ℃，重復(fù)步驟的4）；

6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束，停止加熱，停止供液。

1.3 仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

完成網(wǎng)格劃分及求解計(jì)算后，通過后處理得到三種工況下（供液溫度10 ℃、30 ℃、50 ℃）仿真計(jì)算結(jié)果。對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可知，在三種工況下，器件平均溫度隨熱耗變化的趨勢(shì)相同。因此，選擇工況2（供液溫度30 ℃）展開分析。單個(gè)器件在熱耗分別是4 W、9 W、16 W、25 W、36 W、49 W時(shí)，1號(hào)位和2號(hào)位的器件熱耗相同，但存在一定的溫差：0.1 ℃、0.2 ℃、0.4 ℃、0.6 ℃、1.2 ℃、1.3 ℃。

將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總整理得到表2。分別將三種工況下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖4），分析發(fā)現(xiàn)，仿真值與實(shí)測(cè)值在三種工況下的變化趨勢(shì)一致。其中工況1中，兩者一致性最高，誤差最大為2 ℃，最小為0.4 ℃；工況2中，誤差隨發(fā)熱功率的增大而逐漸減小，最大為5.1 ℃，最小為0.4 ℃；工況3中，仿真值與實(shí)測(cè)值最大誤差為4.5 ℃，最小為0.5 ℃。雖然工況2和工況3的誤差比工況1略高，但在工程應(yīng)用中，該值處于誤差允許范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在對(duì)ASAAC模塊內(nèi)器件的熱仿真分析過程中，涉及到的模型建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件及熱參數(shù)設(shè)置等是合理正確的。

表2 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)（鋁合金ASAAC模塊）

圖4 實(shí)驗(yàn)值-仿真值對(duì)比（鋁合金ASAAC模塊）

2 ASAAC模塊（均溫板）熱響應(yīng)分析研究

2.1 實(shí)驗(yàn)研究

將內(nèi)含均溫板的ASAAC模塊，安裝進(jìn)液冷夾具中，采用1.2節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)工況1（供液溫度10 ℃）、工況2（供液溫度30 ℃）與工況3（供液溫度50 ℃）下的發(fā)熱器件進(jìn)行溫度測(cè)試，把測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總整理得到表3。

表3 溫度測(cè)試數(shù)據(jù)（均溫板ASAAC模塊）

2.2 仿真模擬與分析

由于均溫板內(nèi)部傳熱機(jī)制復(fù)雜，導(dǎo)熱系數(shù)是動(dòng)態(tài)的，而工程中為了便于應(yīng)用，一般采用等效導(dǎo)熱系數(shù)。因此，文中以實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，探究均溫板等效導(dǎo)熱系數(shù)。先在工況2中對(duì)模塊進(jìn)行多輪仿真迭代，得到本次實(shí)驗(yàn)所用均溫板的等效導(dǎo)熱系數(shù)約為1 000 W/（m·K）。再通過工況1（供液溫度10 ℃）和工況3（供液溫度50 ℃）對(duì)該等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行熱仿真研究及驗(yàn)證。

圖5所示為工況2中的器件溫度分布云圖，將實(shí)驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比曲線如圖22（b）所示。分析可知，仿真值與實(shí)測(cè)值得變化趨勢(shì)一致，誤差值隨發(fā)熱功率的增大而逐漸減小，最大為5 ℃，最小為0 ℃。

圖5 仿真結(jié)果

對(duì)工況1及工況3進(jìn)行仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（如圖6（a）、（c），分析可知，在工況1中，實(shí)驗(yàn)值與仿真值的誤差最大為2 ℃，最小為0.4 ℃；工況3中，仿真值與實(shí)測(cè)值最大誤差為3.5 ℃，最小為 0.4 ℃，誤差值均在允許范圍。因此，在熱仿真分析中將均溫板等效導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為1 000 W/（m*K）是合理準(zhǔn)確的。

圖6 實(shí)驗(yàn)值-仿真值對(duì)比（均溫板ASAAC模塊）

2.3 鋁合金模塊與均溫板模塊對(duì)比

將鋁合金ASAAC模塊與均溫板ASAAC模塊測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，圖7所示為器件平均溫度對(duì)比曲線，分析該圖可知，采用了均溫板的模塊，其內(nèi)部器件平均溫度均低于普通鋁合金模塊內(nèi)器件平均溫度。工況1中平均溫度降低最大值為14 ℃，工況2中平均溫度降低最大值為14.8 ℃，工況3中平均溫度降低最大值為9.4 ℃。這說明，將關(guān)鍵傳熱路徑上的材料由鋁合金更換為均溫板后，模塊內(nèi)發(fā)熱器件的散熱情況得到顯著改善。

圖7 器件平均溫度對(duì)比

此外，采用了均溫板的模塊，其內(nèi)部同規(guī)格發(fā)熱器件溫差均低于普通鋁合金模塊內(nèi)器件溫差，圖8所示為器件溫差對(duì)比曲線，分析該圖可知，工況1中溫差降低最大值為5.5 ℃，工況2中溫差降低最大值為2.4 ℃，工況3中溫差降低最大值為3.3 ℃。表明ASAAC模塊在采用了均溫板后，內(nèi)部器件溫度均勻性更好。

圖8 器件平均溫差對(duì)比

3 結(jié)論

1）文中通過對(duì)航空機(jī)載平臺(tái)典型產(chǎn)品ASAAC模塊熱響應(yīng)分析研究，設(shè)計(jì)出的驗(yàn)證方法準(zhǔn)確可靠，為同類產(chǎn)品的優(yōu)化與模型確認(rèn)提供參考。

2）經(jīng)過驗(yàn)證，文中所用均溫板的等效導(dǎo)熱系數(shù)約為1 000 W/m·k，為同類型產(chǎn)品的仿真分析提供參考。

3）將ASAAC模塊上關(guān)鍵傳熱路徑上的鋁合金（6061）更換為均溫板后，內(nèi)部發(fā)熱器件的平均溫度更低，溫差更小，溫度均勻性更高，散熱性能得到顯著改善。