趙如意，許可豪

（1.常州工學院，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)模電子技術的發(fā)展，電子元器件單位表面積上產生的熱量急劇增加，這使得元器件的熱設計工作面臨嚴峻的挑戰(zhàn)?！?0℃法則”顯示：若要延長電子設備1倍的工作壽命，則需降低其10℃的環(huán)境溫度[1]。由此可見，過高的溫度嚴重危害了電子設備系統(tǒng)的使用性能[2]。如何在有限的空間內，高效合理的進行元器件的溫升控制，是目前電子設備整個系統(tǒng)設計中最重要的環(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、高功率電子設備的熱設計中，大量研究人員將冷板作為一種穩(wěn)定、高效的熱傳遞介質進行散熱技術研究[3-4]。熱仿真技術是電子設備散熱結構設計中的關鍵技術。電子設備的熱仿真是利用數學手段進行產品分析，使得研究人員在設計階段就能發(fā)現(xiàn)產品的熱缺陷，從而改善其設計直到獲得高效合適的方法來控制元器件的溫升，以保證電子設備在其工作環(huán)境中正常運行[5]。本文利用ICEPAK對冷板進行熱設計，通過分析比較冷板表面的溫度云圖，對冷板原流道結構進行優(yōu)化，并確認流道散熱齒的形式。

1 建模與仿真分析

1.1 計算模型

目前電子熱設計常用的冷卻方式有：自然風冷、強迫對流和強迫水流[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。表1中，列出了元器件在40℃溫升下，不同熱流密度所對應的冷卻方法[8-9]。

表1 不同冷卻方法與熱流密度

本文以某雷達T/R組件的冷卻為研究對象。在T/R組件系統(tǒng)的設計中，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。根據前人設計經驗，將T/R組件殼溫升設為30℃以內，熱源區(qū)域的溫差設為4℃以內?；隗w積最小、質量最輕的原則，T/R組件(熱源)對稱分布在冷板的正反兩面，如圖1所示，一共有12個熱源，每個熱源功率為40W，熱流密度為40W/cm2，所以本文采用強迫液冷的散熱方式。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，本次熱設計采用一種并聯(lián)的流道結構。

圖1 液冷板三維模型

1.2 仿真參數設置

設置邊界條件，精確模擬T/R組件的實際散熱工況：熱源總功耗480W，環(huán)境溫度和輻射溫度都設為40℃，計算模型為zero equation；鋁板材料默認設置Al-Extruded；進出口設置兩個opening；冷卻液為Glycol-60(65號防凍液)，此溶液比熱容為3171J/(kg?℃)，密度為1063.4kg/m3，根據公式Qcmt= Δ 、mvρ= 和v qt= ，可推導出，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是單位時間(s)， tΔ是溫差(℃)，按進出口水溫差5℃計算出所需供液流量為1.7L/min。模型相關參數設置完成后，采用默認的網格類型Mesher-HD進行網格劃分。

1.3 仿真結果分析

仿真結果如圖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進入，從右側流出，從圖2(a)可以看出，進口處和出口處的溫度相對較低。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，原流道結構遠不能滿足此次熱設計要求。

圖2 仿真結果

2 流道優(yōu)化分析

2.1 流道結構優(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，所以需要對流道結構進行優(yōu)化。這里采用在流道內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也使得流道通水的截面積變小，導致流速變大，從而增大了流阻?？紤]到整個冷板正反各有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導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。綜合考慮上述因素，確定了陣列散熱齒的厚度和間距，設計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%，并利用仿真軟件對兩種冷板結構進行熱分析，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℃，比原設計液冷冷板溫度低23℃左右。圓柱型散熱齒冷板的最高溫度為68.8℃，比原設計液冷冷板溫度低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℃，均能滿足設計要求；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計方案更好。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。對比圓柱型散熱齒與原設計方案，圓柱型的流阻增加了1060N/m2，約15%；對比方柱型散熱齒與原設計方案，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用于熱流密度更高的電子設備熱設計中。

圖6 溫度變化曲線圖

圖7 壓力云圖

3 試驗分析

為了進一步驗證兩種散熱齒冷板的換熱性能，對其進行熱測試。試驗裝置包括液冷源、轉子流量計(L/h)、溫度傳感器(精度0.15℃)、計算機、熱電偶若干、接觸調壓器、兩種散熱齒冷板、測試工裝等。合理的工裝設計能使工裝在負載熱電偶后可以近似等效于熱源。將測試工裝按指定位置安裝在冷板上，在12個工裝熱電偶放置孔內填入0.1mm的導熱硅脂，插入熱電偶，分別標記1～12號，加載調壓器，輸入正確的發(fā)熱量480W。在冷板熱電偶對應的中心位置放置溫度傳感器。設置液冷源出液溫度40℃，調節(jié)流量使得流量計顯示102L/h(1.7L/min)，持續(xù)工作時長25分鐘，每30秒記錄一次數據。

取編號為4的測試結果進行分析，如圖8所示。實驗進行至15分鐘左右時，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。試驗環(huán)境溫度的波動和進口處冷卻液流量的誤差都會導致試驗數據和仿真數據有一定的誤差。但是對于兩種冷板表面溫度的差異，試驗結果和仿真結果之間的誤差小于2%，由此可保證ICEPAK仿真軟件在電子設備熱設計中的可靠性。

圖8 實驗測試結果

4 結論

(1)利用ICEPAK仿真軟件對冷板進行熱設計，通過分析仿真得出的溫度云圖，對原冷板散熱結構進行優(yōu)化。優(yōu)化后的兩種散熱齒流道結構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，但同時減小了流道通水的橫截面積，導致流速變大，從而增大了冷板進出口的壓差，在實際應用中應充分考慮電子設備散熱性能和壓差的重要性。