吳博

摘要：針對電子芯片和動力電池的散熱，通過在通道內部加入錐形翅片，提高了微通道液冷板的冷卻性能。結果表明在冷卻液的質量流量為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。本文的仿真結果可為基于動力電池和芯片的熱管理系統(tǒng)的設計提供相關的參考。

關鍵詞：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，大多數學者都是基于微通道散熱技術提出觀點。而微通道散熱技術最初是由Tuckerman和Pease[1]在1981年提出的。微通道散熱技術根據冷卻介質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]針對電動汽車電池熱管理設計了一種微通道冷板，能夠滿足汽車在不同工況下的運行。Jin[3]設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行了對比。結果表明，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，當冷卻液質量流量小于2g/s時，新液冷板的Tσ性要弱于原始液冷板的。當冷卻液的質量流量大于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。當翅片數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，通過在通道內部加入錐形翅片的方式，增強了傳熱效率，同時壓降損失在可接受范圍內。得到的主要結論如下：①隨著冷卻液質量流量的增加，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，所以冷卻液質量流量的選擇要根據電子芯片和動力電池的具體工作狀況而定。

參考文獻：

[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構優(yōu)化設計[D].合肥：合肥工業(yè)大學，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.