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        一種微通道液冷板的傳熱優(yōu)化

        2020-09-10 00:23:54吳博
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2020年15期
        關(guān)鍵詞:傳熱冷板電池

        吳博

        摘要:針對電子芯片和動力電池的散熱,通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片,提高了微通道液冷板的冷卻性能。結(jié)果表明在冷卻液的質(zhì)量流量為5g/s下,與原始模型比較,其最優(yōu)模型的Tmax和Taver分別下降了7.84K、7.96K,Tσ也下降了0.64K。本文的仿真結(jié)果可為基于動力電池和芯片的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計提供相關(guān)的參考。

        關(guān)鍵詞:電池;冷板;傳熱

        0 ?引言

        隨著工業(yè)的快速發(fā)展,大量元件的熱集中問題無法解決,如動力電池和芯片等。為了解決這一問題,大多數(shù)學(xué)者都是基于微通道散熱技術(shù)提出觀點。而微通道散熱技術(shù)最初是由Tuckerman和Pease[1]在1981年提出的。微通道散熱技術(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同大致可以分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻。然而在一些高集成電路和功率較大的動力電池中,空氣冷卻并不能滿足其散熱要求,所以液冷散熱成為芯片和汽車動力電池主流的散熱方式。周嘉等[2]針對電動汽車電池?zé)峁芾碓O(shè)計了一種微通道冷板,能夠滿足汽車在不同工況下的運(yùn)行。Jin[3]設(shè)計了一種新的帶有陣列翅片的液冷板模型,并對翅片的角度和寬度進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得更好的傳熱性能。Pan等人[4]研制了一種扇形空腔微通道換熱器,并與傳統(tǒng)的矩形直微通道換熱器進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,采用扇形空腔的微通道換熱器性能更好。在本文中,通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片的方式,優(yōu)化其傳熱效率和功耗損失。

        1 ?物理模型

        1.1 CFD模型

        2 ?結(jié)果與討論

        為了更好的比較兩種液冷板的性能,兩液冷板的外界尺寸和邊界條件均保持一致。(圖2)

        從圖2(a)中可以看出隨著質(zhì)量流量的增加,原始液冷板模型的Tmax與新液冷板模型的Tmax逐漸減,同時兩液冷板之間Tmax的差值也逐漸增大。圖2(b)圖中的兩冷板Taver的變化趨勢與圖2(a)保持一致。而從圖2(c)中可以看到,當(dāng)冷卻液質(zhì)量流量小于2g/s時,新液冷板的Tσ性要弱于原始液冷板的。當(dāng)冷卻液的質(zhì)量流量大于2g/s,新液冷板的Tσ要有優(yōu)于原始冷板,且隨著質(zhì)量流量的增加,其優(yōu)勢逐漸增大。至于ΔP方面,從圖2(d)圖中可以看出,新液冷板模型的壓降ΔP要大于原始冷板模型。

        從圖3中可以看出,在冷卻液質(zhì)量流量為3g/s的工況下,新冷板中的冷卻液速度急劇增加,幾乎是原始模型的一倍,同時其在液冷板中的速度分布更加均勻。綜上原因,其加熱面的Tmax、Taver、Tσ均改善明顯。當(dāng)翅片數(shù)目的增加也會阻礙冷卻液的流動,并在其翅片尾部形成渦流。

        圖4(a),圖4(b)中展示的是在質(zhì)量流量為3g/s下的新液冷板和原始冷板加熱面溫度分布情況。從圖4(b)中展示的是原始冷板加熱面的溫度分布,可以看出熱集中區(qū)域處于冷板的中下部,且其面積較大。而從圖4(a)中可以看到,新模型的加熱面的Tmax下降了接近8K,溫度分布改善明顯,其熱集中區(qū)域的面積也減小的好多。

        3 ?結(jié)論

        在本文中,提出了一種用于冷卻電子芯片或動力電池的新型微通道液冷板,通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片的方式,增強(qiáng)了傳熱效率,同時壓降損失在可接受范圍內(nèi)。得到的主要結(jié)論如下:①隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加,其冷卻效果會降低,并且會帶來壓降的上升,從而額外的能量損失會增加。②通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片,可以有效的降低加熱面的Tmax和Taver,并且Tσ也改善明顯。③隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加,傳熱效率會得到一定的提升,同時也會帶來ΔP的升高,所以冷卻液質(zhì)量流量的選擇要根據(jù)電子芯片和動力電池的具體工作狀況而定。

        參考文獻(xiàn):

        [1]D.B. Tuckerman, R.F.W. Pease, High-performance heat sinking for VLSI, IEEE Electron Dev.Lett.2 (1981) 126-129.

        [2]周嘉.基于微小通道的純電動汽車軟包電池組熱管理結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2018.

        [3]L.W. Jin, P.S. Lee, X.X. Kong, Y. Fan, S.K. Chou, Ultra-thin mini-channel LCP for EV battery thermal management, Appl. Energy 113 (2014) 1786-1794.

        [4]M. Pan, H. Wang, Y. Zhong, M. Hu, X. Zhou, G. Dong, P. Huang, Experimental investigation of the heat transfer performance of microchannel heat exchangers with fan-shaped cavities, Int. J. Heat Mass Transf.134 (2019) 1199-1208.

        [5]T. Deng, Y. Ran, G. Zhang, Y. Yin, Novel leaf-like channels for cooling rectangular lithium ion batteries, Appl. Therm. Eng. 150 (2019) 1186-1196.

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