沈 彤，許兆林

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

冷板是一種單流體的熱交換器，是目前廣泛應(yīng)用于中、高效率密度的電子設(shè)備中的一種換熱裝置。隨著電源模塊集成化程度越來(lái)越高，體積不斷縮小，局部熱流密度過(guò)高，常規(guī)蛇形流道冷板的結(jié)構(gòu)形式已不能滿足其散熱需求，將蛇形流道與局部翅片小通道的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，形成組合型冷板，可提高冷板局部的散熱性能[1]。本文對(duì)組合型冷板進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并對(duì)其進(jìn)行仿真對(duì)比，比較各種組合型冷板的散熱效率。

1 建立仿真模型

某電源模塊采用液冷冷板的散熱形式，簡(jiǎn)化模塊，建立模型，如圖1所示。冷板尺寸為(450×280×20)mm，材質(zhì)為6061鋁。正面貼6塊發(fā)熱器件(以下稱熱源)，熱源尺寸為(24×24×1)mm，陣列貼在冷板上，每個(gè)熱源200 W，環(huán)境溫度50 ℃，熱源表面溫度不能超過(guò)70 ℃。

圖1 冷板三維模型

2 蛇形流道散熱性能仿真

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

常規(guī)的蛇形流道冷板結(jié)構(gòu)截面圖如圖2所示。將帶有流道的冷板三維模型導(dǎo)入FloEFD中，并設(shè)置邊界條件：每個(gè)熱源200 W，總共1 200 W，環(huán)境溫度和輻射溫度都設(shè)為50 ℃，默認(rèn)冷板材料為鋁板6061，進(jìn)水流量3 L/min，進(jìn)水溫度38 ℃。

圖2 蛇形流道截面圖

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真得到的冷板表面及各熱源體溫度云圖，如圖3所示。由于冷卻水從右側(cè)進(jìn)入冷板，冷板在右側(cè)的溫度相對(duì)較低，從右至左，冷卻水帶走的熱量越來(lái)越少，冷板的溫度逐漸升高，導(dǎo)致右側(cè)的散熱效果比左側(cè)明顯。從右至左，每個(gè)熱源體的最高溫度情況如表1所示。

圖3 溫度云圖

表1 熱源體溫度最高值表

3 組合型散熱性能分析

3.1 翅片小通道冷板結(jié)構(gòu)形式

翅片小通道冷板(去除蓋板)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中，小通道寬度為W，高度為H，翅片厚度為D，如圖5所示[2]。

圖4 翅片小通道冷板結(jié)構(gòu)示意

其中，小通道高度H與寬度W的比值稱為高寬比α，即：

(1)

翅片厚度D與小通道寬度W的比值稱為占空比β，即：

(2)

圖5 翅片小通道冷板尺寸圖

小通道寬度W、高寬比α、占空比β均影響著小通道冷板的散熱性能。當(dāng)流速相同，占空比β相同時(shí)，小通道冷板的換熱系數(shù)隨著小通道高寬比的增大而增大。

3.2 組合型冷板的結(jié)構(gòu)形式

整個(gè)冷板熱源的總功耗達(dá)到1 200 W，從上面的溫度云圖和熱源體溫度最高值表可知，常規(guī)的蛇形流道已經(jīng)不能滿足器件的散熱要求。為提高冷板局部散熱性能，在高密度熱流器件下方的主流道上增設(shè)翅片小通道結(jié)構(gòu)，如圖6所示，以此提高冷板的換熱效率，達(dá)到器件散熱需求。

圖6 組合冷板流道結(jié)構(gòu)圖

3.3 組合型冷板流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

組合型冷板是通過(guò)增加冷卻水和冷板的換熱面積來(lái)提高冷板的換熱效率；但是翅片模塊的引入同時(shí)也使得流道通水的截面積變小，導(dǎo)致流速變大，從而也增大了流阻：因此，需要綜合考慮換熱面積與流阻等因素，才能設(shè)計(jì)出滿足散熱需求的冷板[3]。

針對(duì)散熱要求，在每個(gè)熱源正下方34 mm×32 mm×8 mm(長(zhǎng)×寬×高)空間內(nèi)增設(shè)翅片小通道，翅片尺寸分為3種：(a)翅片厚度D=1 mm，小通道寬度W=1 mm；(b)翅片厚度D=2 mm，小通道寬度W=2 mm；(c)翅片厚度D=3 mm，小通道寬度W=3 mm。加入翅片后的冷板局部截面圖，如圖7所示。利用仿真軟件對(duì)3種冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真，仿真的邊界條件保持不變。

圖7 翅片小通道流道截面圖

3.4 仿真結(jié)果分析

3種冷板仿真所得到的溫度云圖如圖8所示。每個(gè)熱源體最高溫度值溫度變化如表2所示。對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析，從3種不同尺寸翅片組合型冷板的溫度云圖中可以看出，經(jīng)3種冷板散熱后的器件表面溫度都低于70 ℃，散熱效果都優(yōu)于普通蛇形流道。其中，齒寬1 mm翅片冷板表面熱源最高溫度64.67 ℃，齒寬2 mm翅片冷板表面熱源最高溫度69.42 ℃，齒寬3 mm翅片冷板表面熱源最高溫度70.91 ℃。綜合考慮散熱效果和系統(tǒng)流阻，齒寬1 mm翅片的組合型冷板散熱效果最佳，可優(yōu)先選用[4]。

圖8 溫度云圖

表2 熱源體溫度最高值表

4 結(jié) 論

利用FloEFD仿真軟件對(duì)常規(guī)蛇形流道冷板和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的3種組合型冷板進(jìn)行熱分析，結(jié)果顯示翅片散熱模塊的引入能明顯改善冷板的散熱性能，可以更有效地解決電子設(shè)備密度高、散熱困難等問(wèn)題。優(yōu)化后的3種組合型冷板都滿足設(shè)計(jì)要求，其中1 mm翅片冷板散熱性能最好，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可優(yōu)先選用。