電子束毛化冷板散熱性能優化設計

熱設計 2021-11-29

0 引言

電子束“毛化”技術是一種新型電子束表面加工技術,其成形原理主要是借助于電磁場對電子束的復雜掃描控制而在金屬材料表面產生特殊的陣列結構?當前電子束“毛化”技術已經可以在鋁合金?鈦合金?不銹鋼?銅合金等材料表面制備各種形貌(如柱狀?尖刺狀?三角形?星形等)的毛刺陣列?近年來,隨著電子工業技術的發展,高熱流密度電子器件的散熱問題成為制約設備性能的瓶頸之一,尤其是低流量高熱流密度工況下的散熱問題較為常見?將電子束表面“毛化”技術應用于液冷冷板,其毛化陣列結構能有效提高冷板流道表面的散熱面積,同時加強流道內工質的擾動,提高對流換熱能力,因此在提高冷板散熱能力上有較大潛力?本文以鋁合金電子束毛化冷板為研究對象,通過實驗測試和數值仿真研究不同毛化柱結構參數和陣列間距對散熱的影響,優化毛化結構陣列參數設計?

英國焊接研究所已經可以根據需要在材料表面定制不同的毛化結構形貌(如形狀?大小?角度?密度等)?該機構的研究主要集中在改進電子束的偏轉能力?改善電子束流品質和一致性等方向;文獻則對毛化結構陣列對散熱的強化作用做了研究,設計了一種斜刺陣列毛化結構來提高散熱能力?國內某所在前期多束流電子束加工技術的基礎上首次實現了電子束“毛化”結構成形,在不同的金屬材料上獲得了不同的電子束“毛化”效果?

1 實驗過程

實驗共采用5塊冷板試樣,均由6063鋁合金制成,尺寸為100mm×100mm×12mm?研究對象是不同的冷板流道里電子束毛化柱狀結構陣列,如圖1所示?

其中4塊冷板試樣流道內具有不同高度或間距的毛化結構,毛化結構詳細設計差別見表1?第5塊冷板是作為參考的無毛化結構冷板,內部為光滑流道?該試驗測試了不同電子束毛化冷板的散熱性能?

實驗通過測試模擬芯片殼溫和供液溫度,確定不同冷板試樣的芯片溫度與供液溫度的溫差,根據溫差大小來評估其散熱效果?采用T型熱電偶,通過數據采集儀記錄溫度值,利用渦輪流量計測量系統流量?液冷源冷卻液為60號乙二醇溶液?圖2為實驗平臺?

將發熱電阻安裝在冷板上表面(假定冷板試樣的焊接蓋板面為下表面),發熱電阻應安裝在冷板流道中心?通過電阻發熱模擬芯片發熱情況,記錄模擬芯片殼溫(溫度測點1)以及供液溫度(溫度測點2)?實驗主要關注不同冷板試樣的模擬芯片與冷板之間的溫差變化,以確定冷板的散熱性能?

將發熱電阻的發熱量設置為85W,推算熱源的熱流密度為22W/cm2,供液流量為20L/h?在測試過程中應使用保溫棉包裹實驗裝置,以隔離外部干擾,減小實驗誤差?測試結果見表2,其中的溫差是指模擬芯片與液冷機組供液之間的溫差?

從測試結果來看,有毛化結構冷板的散熱性能優于無毛化結構冷板試樣的散熱性能10%以上?

以5號無毛化結構的冷板試樣的測試結果(溫差為45.9℃)為基準,計算其他幾類冷板相較于5號無毛化結構冷板散熱性能提升的比值,繪制不同冷板的散熱能力分析圖,如圖3所示?

由牛頓冷卻公式q=h?T(q表示熱流密度;h表示換熱系數;?T表示模擬芯片與供液的溫差)可知,給不同毛化冷板試樣施加相同的熱源,即在相同的22W/cm2熱流密度情況下,各毛化冷板的對流換熱系數(散熱能力)與溫差成反比?

由實驗結果可知:相較于無毛化結構冷板,4款帶毛化柱結構的冷板試樣在當前工況下的散熱能力均得到了提升,對流換熱系數提升均在10%以上;這4款帶毛化柱結構冷板試樣之間的散熱能力相差不大?散熱能力的提高主要在于流道內毛化柱散熱面積的增加和流體湍流度的提高?這4款毛化冷板內毛化柱增加的總散熱面積相差不大,而20L/h的供液流量使得流道內流速較大,湍流度已經很高,有毛化柱和無毛化柱結構的對流換熱系數相差較大,但毛化柱陣列的不同排布對對流換熱系數的影響不大?因此4類有毛化柱結構冷板試樣的散熱性能差別不大?

受限于現有毛化柱冷板尺寸和陣列種類,毛化結構具體形式對冷板散熱的影響尚不清晰?為進一步優化冷板的毛化柱結構,強化冷板散熱能力,應開展數值仿真實驗分析,對比高熱流密度?小流量情況下的毛化結構散熱情況?

2 數值仿真分析

數值仿真采用FloEFD平臺,選擇發熱功率為20W?尺寸為2mm×5mm的芯片作為體積熱源,熱流密度為200W/cm2?芯片下方安裝尺寸為20mm×20mm×3mm的純銅片,模擬發熱芯片的載板或組件殼體?熱仿真中采用與實驗相同的冷卻工質,選擇60號乙二醇溶液,入口溫度為27℃,流量為1L/h,出口壓力為1個大氣壓?

選定的毛化結構如圖4所示?典型排列方式為:單根毛化柱高6mm,直徑為1mm,各陣列流向間距為8mm,橫向間距為4mm?

首先對有無毛化柱結構的冷板散熱能力進行仿真?仿真熱邊界及熱耗輸入均按照上文所述進行?兩組冷板熱仿真的溫度分布如圖5所示?從圖5可知:無毛化結構芯片的最高溫度為87.0℃,溫升為60.0℃;帶有毛化結構通道的芯片的最高溫度為74.6℃,溫升為47.6℃?散熱效果提高了20.7%?對照上文的實驗結果,可以看出,在更大熱流密度?更小流量的惡劣工況下,毛化柱陣列結構冷板的散熱能力優勢更加明顯?其強化散熱的原因主要是毛化柱陣列增加了冷卻工質在冷板流道中流動的湍流度,提高了對流換熱系數,同時加大了冷卻工質與冷板之間的散熱面積?對于不同毛化柱結構參數和陣列間距對散熱的影響,需要以控制變量法做進一步分析,以獲得更好的優化解?

然后從毛化柱的高度?直徑以及陣列流向間距3個方面對其散熱性能進行熱仿真比較,優化毛化陣列結構設計?固定毛化柱直徑為1mm?陣列流向間距為8mm,高度分別設置為6mm,4mm以及2mm?圖6為不同毛化柱高度冷板的溫度分布云圖。

從以上仿真結果可以看出,高度變化對毛化結構換熱性能有較大的影響:毛化柱越高,芯片的散熱效果越好?毛化柱高6mm的冷板的最高溫度為74.6℃,毛化柱高2mm的冷板的最高溫度為83.7℃,溫差變化為16%?這是由于毛化柱越高,換熱面積越大,同時毛化柱對流道內工質的擾動作用強化了流體與毛化柱之間的換?

固定毛化柱高度為6mm?陣列流向間距為8mm時,直徑分別設置為0.8mm,1mm和1.2mm?圖7為不同毛化柱直徑冷板的溫度分布云圖?

從以上仿真結果可以看出,毛化柱結構直徑為0.8mm時,芯片的最高溫度為76.5℃;毛化柱結構直徑為1mm時,芯片的最高溫度為74.6℃,毛化柱結構直徑為1.2mm時,芯片的最高溫度為73.4℃?由此可見,毛化柱直徑越大,芯片的散熱效果就越好,但直徑變化對毛化結構換熱性能的影響有限,溫差變化在4%以內?

固定毛化柱高度為6mm?直徑為1mm時,毛化柱陣列流向間距分別設置為4mm,6mm和8mm?圖8為不同毛化柱流向間距冷板的溫度分布云圖?

從以上仿真結果可以看出,毛化柱陣列流向間距為8mm時的芯片最高溫度為74.6℃,間距為6mm時的芯片最高溫度為74.1℃,間距為4mm時的芯片最高溫度為73.1℃?由此可見,毛化柱陣列流向間距越小,芯片散熱效果就越好?這是由于毛化柱陣列密集排布于發熱源之下,縮短了芯片散熱路徑,有利于芯片散熱,但綜合影響有限?