基于ICEPAK的液冷冷板散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙如意，許可豪

（1.常州工學(xué)院，江蘇常州，213127；2.常州億立特新能源科技有限公司，江蘇常州，213127）

0 引言

隨著大規(guī)模電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件單位表面積上產(chǎn)生的熱量急劇增加，這使得元器件的熱設(shè)計(jì)工作面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?！?0℃法則”顯示：若要延長(zhǎng)電子設(shè)備1倍的工作壽命，則需降低其10℃的環(huán)境溫度[1]。由此可見，過高的溫度嚴(yán)重危害了電子設(shè)備系統(tǒng)的使用性能[2]。如何在有限的空間內(nèi)，高效合理的進(jìn)行元器件的溫升控制，是目前電子設(shè)備整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。

冷板是一種單流體的熱交換器，它可以迅速帶走元器件所產(chǎn)生的熱量，并且具有較高的工作可靠性和穩(wěn)定性。因此，在中、高功率電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)中，大量研究人員將冷板作為一種穩(wěn)定、高效的熱傳遞介質(zhì)進(jìn)行散熱技術(shù)研究[3-4]。熱仿真技術(shù)是電子設(shè)備散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。電子設(shè)備的熱仿真是利用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行產(chǎn)品分析，使得研究人員在設(shè)計(jì)階段就能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的熱缺陷，從而改善其設(shè)計(jì)直到獲得高效合適的方法來控制元器件的溫升，以保證電子設(shè)備在其工作環(huán)境中正常運(yùn)行[5]。本文利用ICEPAK對(duì)冷板進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，通過分析比較冷板表面的溫度云圖，對(duì)冷板原流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并確認(rèn)流道散熱齒的形式。

1 建模與仿真分析

1.1 計(jì)算模型

目前電子熱設(shè)計(jì)常用的冷卻方式有：自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫對(duì)流和強(qiáng)迫水流[6-7]。冷卻方法的選擇主要與電子元器件的熱流密度和溫升有關(guān)。表1中，列出了元器件在40℃溫升下，不同熱流密度所對(duì)應(yīng)的冷卻方法[8-9]。

表1 不同冷卻方法與熱流密度

本文以某雷達(dá)T/R組件的冷卻為研究對(duì)象。在T/R組件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，幅相一致性、相位一致性、發(fā)射和接收增益是發(fā)射通道和接收通道中的主要指標(biāo)。根據(jù)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將T/R組件殼溫升設(shè)為30℃以內(nèi)，熱源區(qū)域的溫差設(shè)為4℃以內(nèi)。基于體積最小、質(zhì)量最輕的原則，T/R組件(熱源)對(duì)稱分布在冷板的正反兩面，如圖1所示，一共有12個(gè)熱源，每個(gè)熱源功率為40W，熱流密度為40W/cm2，所以本文采用強(qiáng)迫液冷的散熱方式。冷板材料為6063鋁，其外形尺寸為230mm×80mm×10mm。在保證冷板溫升和均溫性的情況下，為降低壓阻，本次熱設(shè)計(jì)采用一種并聯(lián)的流道結(jié)構(gòu)。

圖1 液冷板三維模型

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)置邊界條件，精確模擬T/R組件的實(shí)際散熱工況：熱源總功耗480W，環(huán)境溫度和輻射溫度都設(shè)為40℃，計(jì)算模型為zero equation；鋁板材料默認(rèn)設(shè)置Al-Extruded；進(jìn)出口設(shè)置兩個(gè)opening；冷卻液為Glycol-60(65號(hào)防凍液)，此溶液比熱容為3171J/(kg?℃)，密度為1063.4kg/m3，根據(jù)公式Qcmt= Δ 、mvρ= 和v qt= ，可推導(dǎo)出，其中q是流量(L/h)，Q是熱量(J)，c是比熱容J/(kg?℃)，ρ是密度(kg/m3)，t是單位時(shí)間(s)， tΔ是溫差(℃)，按進(jìn)出口水溫差5℃計(jì)算出所需供液流量為1.7L/min。模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后，采用默認(rèn)的網(wǎng)格類型Mesher-HD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖2所示，其中圖2(a)是冷板表面溫度云圖，圖2 (b)是壓力云圖。冷卻液從冷板的左側(cè)進(jìn)入，從右側(cè)流出，從圖2(a)可以看出，進(jìn)口處和出口處的溫度相對(duì)較低。在環(huán)境溫度為40℃的情況下通過仿真軟件得到的冷板表面最高溫度為87.1℃，主要集中在中間兩個(gè)熱源所在區(qū)域，熱源區(qū)域的溫差接近6℃。從壓力云圖可以看出，冷板最高壓阻為7219N/m2。所以在冷板表面溫度和熱源溫差方面，原流道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不能滿足此次熱設(shè)計(jì)要求。

圖2 仿真結(jié)果

2 流道優(yōu)化分析

2.1 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從上面的溫度云圖中可以看出，冷板的熱量由熱源中心向兩邊呈輻射狀擴(kuò)散開來，普通的并聯(lián)流道并不能降低冷板熱源處的溫度，所以需要對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。這里采用在流道內(nèi)布置散熱齒的方法來提高冷板的散熱效率。但是散熱齒的引入同時(shí)也使得流道通水的截面積變小，導(dǎo)致流速變大，從而增大了流阻?？紤]到整個(gè)冷板正反各有6塊芯片集中發(fā)熱，僅需在熱源正下方的流道位置布置散熱齒，如圖3所示，一方面增加了冷卻液和冷板的換熱面積，另一方面又盡可能地減小了流阻。

圖3 流道區(qū)域示意圖

在流道外形尺寸一定的情況下，散熱齒厚度越小，熱阻就越小，但散熱齒厚度過小會(huì)導(dǎo)致散熱齒高度方向的熱阻過大，從而降低了總體的散熱系數(shù)。綜合考慮上述因素，確定了陣列散熱齒的厚度和間距，設(shè)計(jì)了圓柱型和方柱型兩種散熱齒，如圖4所示，保證兩種散熱齒的橫截面積相差不超過5%，并利用仿真軟件對(duì)兩種冷板結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，仿真的邊界條件保持不變。

圖4 散熱齒示意圖

2.2 仿真結(jié)果分析

圖5為兩種散熱齒仿真所得到的溫度云圖，從圖中可以看出，兩種散熱齒的冷板表面溫度都低于70℃(即溫升小于30℃)，散熱效果改善明顯。其中，使用方柱型散熱齒的冷板散熱效果最好，冷板表面最高溫度為64.5℃，比原設(shè)計(jì)液冷冷板溫度低23℃左右。圓柱型散熱齒冷板的最高溫度為68.8℃，比原設(shè)計(jì)液冷冷板溫度低19℃左右。

圖5 溫度云圖

圖6是從左到右熱源區(qū)域的溫度變化曲線圖。分析下面兩條曲線：兩種散熱齒的冷板熱源區(qū)整體溫差都小于4℃，均能滿足設(shè)計(jì)要求；采用方柱型散熱齒的溫差較小，為2.2℃；采用圓柱型的溫差為3.4℃。因此，就溫差而言，方柱型散熱齒的散熱性能比圓柱型和原設(shè)計(jì)方案更好。兩種優(yōu)化方案的壓力云圖如圖7所示，圓柱型和方柱型散熱齒的最大流阻分別為8279.1和8826.4N/m2。對(duì)比圓柱型散熱齒與原設(shè)計(jì)方案，圓柱型的流阻增加了1060N/m2，約15%；對(duì)比方柱型散熱齒與原設(shè)計(jì)方案，方柱型的流阻增加了1607.3N/m2，約22%；綜合考慮以上因素，最終我們選擇圓柱型的散熱齒，方柱型散熱齒可以應(yīng)用于熱流密度更高的電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中。

圖6 溫度變化曲線圖

圖7 壓力云圖

3 試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證兩種散熱齒冷板的換熱性能，對(duì)其進(jìn)行熱測(cè)試。試驗(yàn)裝置包括液冷源、轉(zhuǎn)子流量計(jì)(L/h)、溫度傳感器(精度0.15℃)、計(jì)算機(jī)、熱電偶若干、接觸調(diào)壓器、兩種散熱齒冷板、測(cè)試工裝等。合理的工裝設(shè)計(jì)能使工裝在負(fù)載熱電偶后可以近似等效于熱源。將測(cè)試工裝按指定位置安裝在冷板上，在12個(gè)工裝熱電偶放置孔內(nèi)填入0.1mm的導(dǎo)熱硅脂，插入熱電偶，分別標(biāo)記1～12號(hào)，加載調(diào)壓器，輸入正確的發(fā)熱量480W。在冷板熱電偶對(duì)應(yīng)的中心位置放置溫度傳感器。設(shè)置液冷源出液溫度40℃，調(diào)節(jié)流量使得流量計(jì)顯示102L/h(1.7L/min)，持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)25分鐘，每30秒記錄一次數(shù)據(jù)。

取編號(hào)為4的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至15分鐘左右時(shí)，兩種冷板的表面溫度都趨于穩(wěn)定。圓柱型散熱齒的溫度曲線在67.5℃左右趨于穩(wěn)定，方柱型的溫度曲線在63.4℃趨于穩(wěn)定。通過曲線圖可以看出：方柱型散熱齒的冷板表面溫度比圓柱型的先趨于穩(wěn)定，因此它的散熱效果比圓柱型的更好。試驗(yàn)環(huán)境溫度的波動(dòng)和進(jìn)口處冷卻液流量的誤差都會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)有一定的誤差。但是對(duì)于兩種冷板表面溫度的差異，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果之間的誤差小于2%，由此可保證ICEPAK仿真軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的可靠性。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1)利用ICEPAK仿真軟件對(duì)冷板進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，通過分析仿真得出的溫度云圖，對(duì)原冷板散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的兩種散熱齒流道結(jié)構(gòu)由于增加了冷卻液和冷板的換熱面積，所以明顯改善了冷板的散熱性能。其中，方柱型散熱齒的散熱效果更優(yōu)于圓柱型散熱齒。

(2)兩種散熱齒雖能提高冷板的散熱性能，但同時(shí)減小了流道通水的橫截面積，導(dǎo)致流速變大，從而增大了冷板進(jìn)出口的壓差，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)充分考慮電子設(shè)備散熱性能和壓差的重要性。