李 健，房 磊，孔俊濤，葛 鷹

（1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州賀斯特科技股份有限公司，江蘇 常州 213127）

1 前言

隨著軍事科技的不斷發(fā)展，高科技雷達(dá)被廣泛運(yùn)用，雷達(dá)組件的熱流密度越來越高，對(duì)其散熱性能的要求也越來越高?？尚械睦鋮s方式、良好的散熱性能已經(jīng)成為整個(gè)雷達(dá)組件擁有高可靠性指標(biāo)的重要支撐[1]。

在大功率和高熱流密度電子設(shè)備的使用中，僅僅通過風(fēng)冷很難滿足電子設(shè)備的冷卻要求，液冷冷板的散熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱，為電子設(shè)備的散熱方式提供了更有效的選擇。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)液冷冷板的散熱性能進(jìn)行了多方面的分析與試驗(yàn)。文獻(xiàn)[2]通過改變散熱齒的結(jié)構(gòu)，使冷板具有更完善的散熱性能。文獻(xiàn)[3]研究了具有多條支路流道的冷板，具有較好的散熱性能。文獻(xiàn)[4]提出了并行流道能增強(qiáng)散熱性能的設(shè)計(jì)理論。

文獻(xiàn)[5]提出使流體沿U方向流動(dòng)，增加入口的數(shù)量，產(chǎn)生內(nèi)部湍流，都能增強(qiáng)換熱性能。不止于單層流道的研究，更多學(xué)者開始涉獵雙層流道。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種雙層微通道熱沉結(jié)構(gòu)，對(duì)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

文獻(xiàn)[7]提出了一種新型散熱器，對(duì)不同的基質(zhì)材料、納米流體進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究。由此可見，微通道液冷技術(shù)得到了廣泛關(guān)注，并已擴(kuò)展到雙層流道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，合理的流道布局可以大大改善冷板的散熱性能。

為了進(jìn)一步研究冷板內(nèi)置流道對(duì)換熱性能的影響，設(shè)計(jì)了三種形狀的單雙層內(nèi)置流道，利用ICEPAK仿真軟件分析換熱性能，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 計(jì)算模型

2.1 物理模型

該新型兩進(jìn)兩出冷板的最大外形尺寸為200mm×100mm×10mm，材質(zhì)為6061-T6鋁，正反面各對(duì)稱裝有三塊組件（簡(jiǎn)稱為熱源），如圖1所示。

圖1 散熱冷板的模型圖Fig.1 Model of Cooling Plate

熱源緊貼著冷板，中間兩塊熱密度集中的熱源功率為100 W（熱源1），熱源1尺寸為（35×30×2）mm，其余四塊熱源功率為5W（熱源2）（20×20×2）mm。

式中：S—主流道的橫截面積，m2；Si—各個(gè)支流道的橫截面積，m2。式中范圍值取2，單層支流道n取8，雙層支流道n取16；S—40×4mm2，故支流道總的橫截面積為80mm2。

在40℃的環(huán)境溫度下，保證每種形狀支流道橫截面積相等，將矩形、梯形、圓形三種形狀的單雙層支流道分別布置在散熱區(qū)域，根據(jù)航空雷達(dá)組件的技術(shù)要求得保證冷板溫度不超過60℃。

圖2 流道局部剖視圖Fig.2 Local Cross-Sectional View of Runner

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 三維建模

該新型液冷冷板用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，在建模時(shí)，為了提高仿真效率，將對(duì)冷板換熱性能影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，如螺釘孔、走線槽等。

2.2.2 參數(shù)計(jì)算

根據(jù)能量守恒定律可知，忽略熱傳遞的熱量損失，電子設(shè)備的熱損耗等于冷卻液帶走的熱量[8]，所以可得冷卻液的供液流量，公式表示為：

式中：DT—冷卻液進(jìn)出口的溫差，℃；Q—電子設(shè)備的熱損耗，W；

CP—冷卻液的比熱容，J/（kg·℃）；ρ—冷卻液的密度，kg/m3；

V—冷卻液的流量，m3/s。

冷板中的冷卻液是在40℃下濃度為60%的乙二醇溶液，取冷卻液進(jìn)出口溫差為DT=4℃，冷卻液密度ρ=1098kg/m3，冷卻液比熱容Cp=3171J/（kg·℃），電子設(shè)備的熱損耗Q=220W。所以可得該冷板中冷卻液的流量：

2.2.3 參數(shù)設(shè)定

將DM模塊簡(jiǎn)化后的三維模型導(dǎo)入ICEPAK 中，對(duì)計(jì)算模型設(shè)置邊界條件：環(huán)境溫度和輻射溫度均設(shè)置為40℃，模型流態(tài)設(shè)置為Turbulent 模塊里的zero equation。默認(rèn)冷板材質(zhì)設(shè)置為Al-Extruded，默認(rèn)冷卻液設(shè)置為Glycol-60。在冷板進(jìn)出水口設(shè)置4個(gè)Opening，并設(shè)置兩個(gè)入口流量均為0.95L/min。按照物理模型設(shè)置熱源總功率為220W。網(wǎng)格劃分使用Mesher-HD 模塊。X、Y、Z三個(gè)方向的最大尺寸依次為0.5mm、0.8mm、0.6mm[9]。

3 單層支流道散熱性能分析

3.1 單層支流道仿真

首先將新型液冷冷板的支流道設(shè)計(jì)成單層矩形、圓形、梯形三種形狀，如圖3所示。

圖3 單層支流道截面圖Fig.3 Cross-Sectional View of Single-Layer Tributaries

在保證支流道總橫截面積都等于80 mm2的情況下，對(duì)三種不同形狀支流道的冷板進(jìn)行仿真。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過仿真得到三種單層支流道液冷冷板溫度云圖，如圖4所示。

三種不同形狀支流道的冷板的最高溫度都集中在熱源1附近，并且熱量向四周呈輻射狀發(fā)散，其中左右兩側(cè)的進(jìn)水口的溫度最低。

圖4（a）中，單層矩形支流道冷板的最高溫度達(dá)到了64.1℃；其中單層圓形支流道冷板的散熱效果最好，表面最高溫度為61.9℃；單層梯形支流道處于兩者之間，表面最高溫度為63.5℃。由于圓形的當(dāng)量直徑較?。惶菪蔚男螤铑愃朴诓y形，在支流道之間能形成二次流動(dòng)，所以兩者的散熱效果相對(duì)較好，但是冷板的最高溫度均超過60℃，達(dá)不到散熱要求。

圖4 單層支流道溫度云圖Fig.4 Temperature Nephogram of Single-Layer Tributary Channe

4 雙層支流道散熱性能分析

4.1 流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真

在單層支流道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，融入了雙層支流道的設(shè)計(jì)理念。在流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)保證三種雙層支流道總的橫截面積均為80 mm2，如圖5所示。

圖5 雙層支流道截面圖Fig.5 Cross-Sectional View of Bilevel Tributaries

4.2 仿真結(jié)果分析

三種雙層支流道仿真結(jié)果的溫度云圖，如圖6所示。

圖6 雙層支流道溫度云圖Fig.6 Temperature Nephogram of Bilevel Tributaries

雙層矩形支流道冷板表面的最高溫度為60.4℃，雙層圓形支流道冷板和雙層梯形支流道冷板表面的最高溫度分別為58.4℃、58.5℃。雖然雙層矩形支流道冷板的表面溫度仍然超過60℃，但是相比于單層矩形結(jié)構(gòu)的最高溫度降低了3.7℃，同時(shí)可以清晰地看出雙層支流道結(jié)構(gòu)形式的散熱效果明顯優(yōu)于各種單層支流道。雙層圓形支流道和雙層梯形支流道冷板表面的最高溫度非常接近，雙層圓形結(jié)構(gòu)僅比雙層梯形結(jié)構(gòu)低了0.1℃。

通過分析壓力云圖來比較兩者的系統(tǒng)流阻，雙層梯形結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)流阻低于雙層圓形結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 壓力云圖Fig.7 Pressure Nephogram

綜合分析冷板的散熱效果和系統(tǒng)流阻，可以得出雙層梯形結(jié)構(gòu)冷板的散熱性能最優(yōu)。

5 試驗(yàn)分析

5.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了驗(yàn)證六種支流道冷板散熱性能分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，搭建了熱測(cè)試工作臺(tái)，熱測(cè)試的主要器材包括：恒溫恒濕箱、數(shù)據(jù)采集儀、液冷源、溫度傳感器、接觸調(diào)壓器、流量計(jì)、熱電偶、水接頭、冷卻液、六種流道冷板及其固定支架等。

5.2 試驗(yàn)方法

分別對(duì)六種方案進(jìn)行試驗(yàn)，把六個(gè)熱電偶按照模型位置貼裝在冷板兩面，通過接觸調(diào)壓器將熱電偶的功率調(diào)節(jié)成仿真軟件設(shè)置的熱源參數(shù)（熱源1為100W，熱源2為5W），把測(cè)溫點(diǎn)設(shè)置在熱源1的正中間，按圖8（熱測(cè)試試驗(yàn)原理圖）所示，將試驗(yàn)系統(tǒng)連通，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至40℃，調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度至40℃，調(diào)節(jié)冷板進(jìn)口流量至0.95L/min。試驗(yàn)中保證冷卻液循環(huán)流通，熱測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行30min，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄梯度設(shè)置為一分鐘[9-10]。

圖8 熱測(cè)試試驗(yàn)原理圖Fig.8 The Schematic Diagram of Thermal Test Experiment

5.3 試驗(yàn)分析

六種方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化曲線，如圖9所示。

圖9 六種方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖Fig.9 Breakdown Chart of Test Data for Six Schemes

在試驗(yàn)進(jìn)行到20min時(shí)，六種方案冷板表面的最高溫度都趨于穩(wěn)定，單層矩形、雙層矩形、單層圓形、雙層圓形、單層梯形、雙層梯形結(jié)構(gòu)表面的最高溫度依次趨近于63.5℃、59.6℃、61.2℃、57.8℃、62.8℃、57.7℃。

由此可以清晰地看出，各種結(jié)構(gòu)雙層支流道的散熱效果明顯優(yōu)于單層支流道，其中雙層圓形與雙層梯形的散熱效果更佳。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)，由于存在測(cè)試誤差與仿真誤差，整體存在微小的范圍波動(dòng)，但是兩者之間的分析結(jié)論具有一致性。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及仿真數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，兩者在忽略實(shí)際誤差時(shí)，可以完美的契合，證明了ICEPAK仿真軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)階段的可靠性。

（2）通過ICEPAK仿真軟件和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合，研究表明，雙層支流道冷板的散熱效果明顯優(yōu)于單層支流道，能為電子設(shè)備的散熱提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

（3）綜合分析冷板的散熱效果和系統(tǒng)流阻，結(jié)果顯示，雙層梯形支流道的散熱性能最佳。因此，今后的研究可以擴(kuò)展到優(yōu)化梯形支流道內(nèi)部結(jié)構(gòu)以達(dá)到更好的散熱性能。