某组合型冷板的结构设计与优化

沈 彤，许兆林

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

冷板是一种单流体的热交换器，是目前广泛应用于中、高效率密度的电子设备中的一种换热装置。随着电源模块集成化程度越来越高，体积不断缩小，局部热流密度过高，常规蛇形流道冷板的结构形式已不能满足其散热需求，将蛇形流道与局部翅片小通道的结构相结合，形成组合型冷板，可提高冷板局部的散热性能[1]。本文对组合型冷板进行设计与优化，并对其进行仿真对比，比较各种组合型冷板的散热效率。

1 建立仿真模型

某电源模块采用液冷冷板的散热形式，简化模块，建立模型，如图1所示。冷板尺寸为(450×280×20)mm，材质为6061铝。正面贴6块发热器件(以下称热源)，热源尺寸为(24×24×1)mm，阵列贴在冷板上，每个热源200 W，环境温度50 ℃，热源表面温度不能超过70 ℃。

图1 冷板三维模型

2 蛇形流道散热性能仿真

2.1 仿真参数设置

常规的蛇形流道冷板结构截面图如图2所示。将带有流道的冷板三维模型导入FloEFD中，并设置边界条件：每个热源200 W，总共1 200 W，环境温度和辐射温度都设为50 ℃，默认冷板材料为铝板6061，进水流量3 L/min，进水温度38 ℃。

图2 蛇形流道截面图

2.2 仿真结果分析

仿真得到的冷板表面及各热源体温度云图，如图3所示。由于冷却水从右侧进入冷板，冷板在右侧的温度相对较低，从右至左，冷却水带走的热量越来越少，冷板的温度逐渐升高，导致右侧的散热效果比左侧明显。从右至左，每个热源体的最高温度情况如表1所示。

图3 温度云图

表1 热源体温度最高值表

3 组合型散热性能分析

3.1 翅片小通道冷板结构形式

翅片小通道冷板(去除盖板)结构如图4所示，其中，小通道宽度为W，高度为H，翅片厚度为D，如图5所示[2]。

图4 翅片小通道冷板结构示意

其中，小通道高度H与宽度W的比值称为高宽比α，即：

(1)

翅片厚度D与小通道宽度W的比值称为占空比β，即：

(2)

图5 翅片小通道冷板尺寸图

小通道宽度W、高宽比α、占空比β均影响着小通道冷板的散热性能。当流速相同，占空比β相同时，小通道冷板的换热系数随着小通道高宽比的增大而增大。

3.2 组合型冷板的结构形式

整个冷板热源的总功耗达到1 200 W，从上面的温度云图和热源体温度最高值表可知，常规的蛇形流道已经不能满足器件的散热要求。为提高冷板局部散热性能，在高密度热流器件下方的主流道上增设翅片小通道结构，如图6所示，以此提高冷板的换热效率，达到器件散热需求。

图6 组合冷板流道结构图

3.3 组合型冷板流道结构优化

组合型冷板是通过增加冷却水和冷板的换热面积来提高冷板的换热效率；但是翅片模块的引入同时也使得流道通水的截面积变小，导致流速变大，从而也增大了流阻：因此，需要综合考虑换热面积与流阻等因素，才能设计出满足散热需求的冷板[3]。

针对散热要求，在每个热源正下方34 mm×32 mm×8 mm(长×宽×高)空间内增设翅片小通道，翅片尺寸分为3种：(a)翅片厚度D=1 mm，小通道宽度W=1 mm；(b)翅片厚度D=2 mm，小通道宽度W=2 mm；(c)翅片厚度D=3 mm，小通道宽度W=3 mm。加入翅片后的冷板局部截面图，如图7所示。利用仿真软件对3种冷板结构进行热仿真，仿真的边界条件保持不变。

图7 翅片小通道流道截面图

3.4 仿真结果分析

3种冷板仿真所得到的温度云图如图8所示。每个热源体最高温度值温度变化如表2所示。对上述结果进行分析，从3种不同尺寸翅片组合型冷板的温度云图中可以看出，经3种冷板散热后的器件表面温度都低于70 ℃，散热效果都优于普通蛇形流道。其中，齿宽1 mm翅片冷板表面热源最高温度64.67 ℃，齿宽2 mm翅片冷板表面热源最高温度69.42 ℃，齿宽3 mm翅片冷板表面热源最高温度70.91 ℃。综合考虑散热效果和系统流阻，齿宽1 mm翅片的组合型冷板散热效果最佳，可优先选用[4]。

图8 温度云图

表2 热源体温度最高值表

4 结 论

利用FloEFD仿真软件对常规蛇形流道冷板和结构优化后的3种组合型冷板进行热分析，结果显示翅片散热模块的引入能明显改善冷板的散热性能，可以更有效地解决电子设备密度高、散热困难等问题。优化后的3种组合型冷板都满足设计要求，其中1 mm翅片冷板散热性能最好，在实际设计中可优先选用。