基于ANSYS ICEPAK的混合擾流微通道冷板的研究與優化

吳軍榮　秦海波　戴燕

摘要：微通道是一種新型高效的散熱技術，可以在有限的尺寸內極大地提高系統的對流換熱能力.本文通過ICEPAK軟件仿真模擬不同材料的冷板，分別對比蛇形、常規微通道、斷齒微通道和擾流微通道冷板對散熱性能的影響，得到不同通道冷板的綜合性能.研究結果具有工程應用價值，為高熱耗的電子設備散熱問題提供參考.

關鍵詞：微通道;冷板;高熱耗

中圖分類號：TK124? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0084-02

隨著現代電子設備向著微型化、集成化發展，導致電子設備熱流密度越來越大，散熱越發困難.而高溫是電子設備失效的重要因素，一般而言，電子設備的溫度升高10℃時，失效率往往會增加一個數量級，這就是所謂的“10℃法則”.如何在有限的尺寸空間內，帶走電子設備單位時間內產生的高熱耗，是亟待解決的難題.近年來，隨著微制造技術的發展，微通道冷板以其高效的換熱能力日益受到關注[1].

在微電子等行業中，電子器件的尺寸很小，排布很密集，熱流密度很大，在有限的排布空間內，對熱設計的要求很高.經過調查研究發現，微通道的散熱器的換熱能力高達300MW/m3.K[7].最早開展微通道散熱研究的是兩位美國學者，近年來中國的學者也開始著手研究.從目前研究現狀來看，雖然對微通道內液體的流動、對流換熱特性和肋片形式已進行了一系列的研究工作，但所得研究結果并不如人意，且沒有對整個斷齒、擾流等通道有過深入研究;且目前使用的一些冷板材料，導熱性能不夠好，受焊接形式的限制，焊接變形不易控制，而且工程應用中沒有混合微槽道的換熱和流動的影響研究，不能滿足指導微電子機械系統和微通道冷板熱設計的需要.因此有必要開展一種新型的鋁合金混合微通道冷板的研究，研究結果具有非常重要的工程應用意義.本研究主要對冷板的散熱能力和對流換熱特性進行分析研究.

1 冷板鋁合金材料的選擇

對比工程中常用的鋁合金性能如表1所示，目前水冷板中常用的鋁合金是5系列的.

5系列鎂鋁合金具有良好的抗蝕性、可焊接性和中等強度等性能.但是，5系列鋁合金導熱系數不如6系列高，且熱處理后的強度沒有6系列高.因此，綜合表1，本研究擬選用6063-T6鋁合金材料.

2 冷板的設計和研究

2.1 多種冷板模型的建立

本文在ICEPAK熱仿真軟件中自建所有的冷板三維模型.本次研究冷板的尺寸為200mm×100mm×10mm，水道截面為10mm×6mm，共有三條蛇形水道.如圖1所示：

假設一個50mm×40mm×5mm模擬熱源熱耗500W，直接安裝在冷板上方，忽略冷板與熱源接觸面之間的熱阻.模擬初始環境溫度20℃，冷卻液為蒸餾水，入口流速為1m/s，出口為壓力出口類型.

2.2 仿真結果分析

在設計初始條件相同的情況下，經過軟件模擬分析，得到的溫度云圖結果如下：

從圖2的結果可以得到，普通蛇形水道散熱效果最差，熱源溫升高達69℃;多段擾流式蛇形微通道散熱效果最好，熱源溫升30℃;直板蛇形水道和多段式蛇形微通道散熱效果相當，且直板式略有優勢，這說明僅僅將微通道分段不做擾流處理，并不能帶來改善效果，湍流程度越大，散熱效果越好.因此，從改善散熱角度考慮，應該采用最后一種散熱方式.

液冷系統的流阻也是實際工程應用中需要考慮的部分，流阻越大，供液泵的供液壓力要求越高，系統越復雜.而微通道定比普通水道流阻大，因此需要做更優化的設計和研究.四種水道的壓降云圖如圖3所示.

從后處理結果可以得到，水道越復雜，系統的流阻越大.（d）的壓降是（a）的三倍，因此，在降低溫度的同時，需要降低微通道水道的流阻.由于蛇形水道越長，流阻一定越大，而微通道的降溫能力很強，因此，可以將蛇形水道長度縮短，等體積增加水道面積的基礎上，減小微通道流阻.

2.3 流道優化計算

改善后的擾流微通道經過軟件仿真計算溫度云圖和壓降云圖如下圖4、圖5所示.

從結果可以看出，改善后的水道不僅帶來8℃以上的溫降，且降低了接近一倍的流阻.因此，這種設計比較合理.但是，總體來說，微通道冷板的流阻還是比普通冷板的流阻大.

3 結論

通過ICEPAK軟件仿真比較了多種微通道蛇形冷板和常規蛇形冷板的流阻性能和換熱性能的差異.微通道冷板的流阻明顯大于普通蛇形水道，但微通道冷板的散熱能力是普通蛇形冷板散熱能力的好幾倍，且改善微通道的形式散熱能力還可以繼續優化.通過多種對比結果，減小水道總的長度，增加微通道冷板單個水道的截面積，是比較合理的減小流阻的方法.

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參考文獻：

〔1〕侯亞麗，等.矩形微通道中流動阻力特性的實驗研究[J].河北工業大學學報，2007（6）：13-17.

〔2〕李春林.矩形槽道微通道冷板制造工藝技術[J].電子機械工程，2009（4）：38-40.

〔3〕王從思，宋正梅，康明魁，等.微通道冷板在有源相控陣天線上的應用[J].電子機械工程，2013（1）：1-4.

〔4〕呂洪濤.微通道冷板的特性研究[J].2014年電子機械與微波結構工藝學術會議論文集，2014.163-167.

〔5〕任蘇中.當代航空電子系統熱管理[J].航空電子，1994（8）：55-56.

〔6〕齊永強，何雅玲，張偉，郭進軍.電子設備熱設計的初步研究[J].現代電子技術，2003（1）：73-76.

〔7〕Frank P.Incropera，liquid cooling of electronic devices by single-phase convection[J]，John Wiley&Sons，Inc，1999.