一种微通道液冷板的传热优化

吴博

摘要：针对电子芯片和动力电池的散热，通过在通道内部加入锥形翅片，提高了微通道液冷板的冷却性能。结果表明在冷却液的质量流量为5g/s下，与原始模型比较，其最优模型的Tmax和Taver分别下降了7.84K、7.96K，Tσ也下降了0.64K。本文的仿真结果可为基于动力电池和芯片的热管理系统的设计提供相关的参考。

关键词：电池;冷板;传热

0  引言

随着工业的快速发展，大量元件的热集中问题无法解决，如动力电池和芯片等。为了解决这一问题，大多数学者都是基于微通道散热技术提出观点。而微通道散热技术最初是由Tuckerman和Pease[1]在1981年提出的。微通道散热技术根据冷却介质的不同大致可以分为空气冷却、液体冷却和相变材料冷却。然而在一些高集成电路和功率较大的动力电池中，空气冷却并不能满足其散热要求，所以液冷散热成为芯片和汽车动力电池主流的散热方式。周嘉等[2]针对电动汽车电池热管理设计了一种微通道冷板，能够满足汽车在不同工况下的运行。Jin[3]设计了一种新的带有阵列翅片的液冷板模型，并对翅片的角度和宽度进行了优化，以获得更好的传热性能。Pan等人[4]研制了一种扇形空腔微通道换热器，并与传统的矩形直微通道换热器进行了对比。结果表明，采用扇形空腔的微通道换热器性能更好。在本文中，通过在通道内部加入锥形翅片的方式，优化其传热效率和功耗损失。

1  物理模型

1.1 CFD模型

2  结果与讨论

为了更好的比较两种液冷板的性能，两液冷板的外界尺寸和边界条件均保持一致。（图2）

从图2（a）中可以看出随着质量流量的增加，原始液冷板模型的Tmax与新液冷板模型的Tmax逐渐减，同时两液冷板之间Tmax的差值也逐渐增大。图2（b）图中的两冷板Taver的变化趋势与图2（a）保持一致。而从图2（c）中可以看到，当冷却液质量流量小于2g/s时，新液冷板的Tσ性要弱于原始液冷板的。当冷却液的质量流量大于2g/s，新液冷板的Tσ要有优于原始冷板，且随着质量流量的增加，其优势逐渐增大。至于ΔP方面，从图2（d）图中可以看出，新液冷板模型的压降ΔP要大于原始冷板模型。

从图3中可以看出，在冷却液质量流量为3g/s的工况下，新冷板中的冷却液速度急剧增加，几乎是原始模型的一倍，同时其在液冷板中的速度分布更加均匀。综上原因，其加热面的Tmax、Taver、Tσ均改善明显。当翅片数目的增加也会阻碍冷却液的流动，并在其翅片尾部形成涡流。

图4（a），图4（b）中展示的是在质量流量为3g/s下的新液冷板和原始冷板加热面温度分布情况。从图4（b）中展示的是原始冷板加热面的温度分布，可以看出热集中区域处于冷板的中下部，且其面积较大。而从图4（a）中可以看到，新模型的加热面的Tmax下降了接近8K，温度分布改善明显，其热集中区域的面积也减小的好多。

3  结论

在本文中，提出了一种用于冷却电子芯片或动力电池的新型微通道液冷板，通过在通道内部加入锥形翅片的方式，增强了传热效率，同时压降损失在可接受范围内。得到的主要结论如下：①随着冷却液质量流量的增加，其冷卻效果会降低，并且会带来压降的上升，从而额外的能量损失会增加。②通过在通道内部加入锥形翅片，可以有效的降低加热面的Tmax和Taver，并且Tσ也改善明显。③随着冷却液质量流量的增加，传热效率会得到一定的提升，同时也会带来ΔP的升高，所以冷却液质量流量的选择要根据电子芯片和动力电池的具体工作状况而定。

参考文献：

[1]D.B. Tuckerman， R.F.W. Pease， High-performance heat sinking for VLSI， IEEE Electron Dev.Lett.2 （1981） 126-129.

[2]周嘉.基于微小通道的纯电动汽车软包电池组热管理结构优化设计[D].合肥：合肥工业大学，2018.

[3]L.W. Jin， P.S. Lee， X.X. Kong， Y. Fan， S.K. Chou， Ultra-thin mini-channel LCP for EV battery thermal management， Appl. Energy 113 （2014） 1786-1794.

[4]M. Pan， H. Wang， Y. Zhong， M. Hu， X. Zhou， G. Dong， P. Huang， Experimental investigation of the heat transfer performance of microchannel heat exchangers with fan-shaped cavities， Int. J. Heat Mass Transf.134 （2019） 1199-1208.

[5]T. Deng， Y. Ran， G. Zhang， Y. Yin， Novel leaf-like channels for cooling rectangular lithium ion batteries， Appl. Therm. Eng. 150 （2019） 1186-1196.