基于ANSYS ICEPAK的混合扰流微通道冷板的研究与优化

吴军荣　秦海波　戴燕

摘要：微通道是一种新型高效的散热技术，可以在有限的尺寸内极大地提高系统的对流换热能力.本文通过ICEPAK软件仿真模拟不同材料的冷板，分别对比蛇形、常规微通道、断齿微通道和扰流微通道冷板对散热性能的影响，得到不同通道冷板的综合性能.研究结果具有工程应用价值，为高热耗的电子设备散热问题提供参考.

关键词：微通道;冷板;高热耗

中图分类号：TK124  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）09-0084-02

随着现代电子设备向着微型化、集成化发展，导致电子设备热流密度越来越大，散热越发困难.而高温是电子设备失效的重要因素，一般而言，电子设备的温度升高10℃时，失效率往往会增加一个数量级，这就是所谓的“10℃法则”.如何在有限的尺寸空间内，带走电子设备单位时间内产生的高热耗，是亟待解决的难题.近年来，随着微制造技术的发展，微通道冷板以其高效的换热能力日益受到关注[1].

在微电子等行业中，电子器件的尺寸很小，排布很密集，热流密度很大，在有限的排布空间内，对热设计的要求很高.经过调查研究发现，微通道的散热器的换热能力高达300MW/m3.K[7].最早开展微通道散热研究的是两位美国学者，近年来中国的学者也开始着手研究.从目前研究现状来看，虽然对微通道内液体的流动、对流换热特性和肋片形式已进行了一系列的研究工作，但所得研究结果并不如人意，且没有对整个断齿、扰流等通道有过深入研究;且目前使用的一些冷板材料，导热性能不够好，受焊接形式的限制，焊接变形不易控制，而且工程应用中没有混合微槽道的换热和流动的影响研究，不能满足指导微电子机械系统和微通道冷板热设计的需要.因此有必要开展一种新型的铝合金混合微通道冷板的研究，研究结果具有非常重要的工程应用意义.本研究主要对冷板的散热能力和对流换热特性进行分析研究.

1 冷板铝合金材料的选择

对比工程中常用的铝合金性能如表1所示，目前水冷板中常用的铝合金是5系列的.

5系列镁铝合金具有良好的抗蚀性、可焊接性和中等强度等性能.但是，5系列铝合金导热系数不如6系列高，且热处理后的强度没有6系列高.因此，综合表1，本研究拟选用6063-T6铝合金材料.

2 冷板的设计和研究

2.1 多种冷板模型的建立

本文在ICEPAK热仿真软件中自建所有的冷板三维模型.本次研究冷板的尺寸为200mm×100mm×10mm，水道截面为10mm×6mm，共有三条蛇形水道.如图1所示：

假设一个50mm×40mm×5mm模拟热源热耗500W，直接安装在冷板上方，忽略冷板与热源接触面之间的热阻.模拟初始环境温度20℃，冷却液为蒸馏水，入口流速为1m/s，出口为压力出口类型.

2.2 仿真结果分析

在设计初始条件相同的情况下，经过软件模拟分析，得到的温度云图结果如下：

从图2的结果可以得到，普通蛇形水道散热效果最差，热源温升高达69℃;多段扰流式蛇形微通道散热效果最好，热源温升30℃;直板蛇形水道和多段式蛇形微通道散热效果相当，且直板式略有优势，这说明仅仅将微通道分段不做扰流处理，并不能带来改善效果，湍流程度越大，散热效果越好.因此，从改善散热角度考虑，应该采用最后一种散热方式.

液冷系统的流阻也是实际工程应用中需要考虑的部分，流阻越大，供液泵的供液压力要求越高，系统越复杂.而微通道定比普通水道流阻大，因此需要做更优化的设计和研究.四种水道的压降云图如图3所示.

从后处理结果可以得到，水道越复杂，系统的流阻越大.（d）的压降是（a）的三倍，因此，在降低温度的同时，需要降低微通道水道的流阻.由于蛇形水道越长，流阻一定越大，而微通道的降温能力很强，因此，可以将蛇形水道長度缩短，等体积增加水道面积的基础上，减小微通道流阻.

2.3 流道优化计算

改善后的扰流微通道经过软件仿真计算温度云图和压降云图如下图4、图5所示.

从结果可以看出，改善后的水道不仅带来8℃以上的温降，且降低了接近一倍的流阻.因此，这种设计比较合理.但是，总体来说，微通道冷板的流阻还是比普通冷板的流阻大.

3 结论

通过ICEPAK软件仿真比较了多种微通道蛇形冷板和常规蛇形冷板的流阻性能和换热性能的差异.微通道冷板的流阻明显大于普通蛇形水道，但微通道冷板的散热能力是普通蛇形冷板散热能力的好几倍，且改善微通道的形式散热能力还可以继续优化.通过多种对比结果，减小水道总的长度，增加微通道冷板单个水道的截面积，是比较合理的减小流阻的方法.

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参考文献：

〔1〕侯亚丽，等.矩形微通道中流动阻力特性的实验研究[J].河北工业大学学报，2007（6）：13-17.

〔2〕李春林.矩形槽道微通道冷板制造工艺技术[J].电子机械工程，2009（4）：38-40.

〔3〕王从思，宋正梅，康明魁，等.微通道冷板在有源相控阵天线上的应用[J].电子机械工程，2013（1）：1-4.

〔4〕吕洪涛.微通道冷板的特性研究[J].2014年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集，2014.163-167.

〔5〕任苏中.当代航空电子系统热管理[J].航空电子，1994（8）：55-56.

〔6〕齐永强，何雅玲，张伟，郭进军.电子设备热设计的初步研究[J].现代电子技术，2003（1）：73-76.

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