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电子束毛化冷板散热性能优化设计

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0 引言

电子束毛化技术是一种新型电子束表面加工技术,其成形原理主要是借助于电磁场对电子束的复杂扫描控制而在金属材料表面产生特殊的阵列结构。当前电子束毛化技术已经可以在铝合金、钛合金、不锈钢、铜合金等材料表面制备各种形貌(如柱状、尖刺状、三角形、星形等)的毛刺阵列。近年来,随着电子工业技术的发展,高热流密度电子器件的散热问题成为制约设备性能的瓶颈之一,尤其是低流量高热流密度工况下的散热问题较为常见。将电子束表面毛化技术应用于液冷冷板,其毛化阵列结构能有效提高冷板流道表面的散热面积,同时加强流道内工质的扰动,提高对流换热能力,因此在提高冷板散热能力上有较大潜力。本文以铝合金电子束毛化冷板为研究对象,通过实验测试和数值仿真研究不同毛化柱结构参数和阵列间距对散热的影响,优化毛化结构阵列参数设计。

英国焊接研究所已经可以根据需要在材料表面定制不同的毛化结构形貌(如形状、大小、角度、密度等)。该机构的研究主要集中在改进电子束的偏转能力、改善电子束流品质和一致性等方向;文献则对毛化结构阵列对散热的强化作用做了研究,设计了一种斜刺阵列毛化结构来提高散热能力。国内某所在前期多束流电子束加工技术的基础上首次实现了电子束毛化结构成形,在不同的金属材料上获得了不同的电子束毛化效果。

1 实验过程

实验共采用5块冷板试样,均由6063铝合金制成,尺寸为100mm×100mm×12mm。研究对象是不同的冷板流道里电子束毛化柱状结构阵列,如图1所示。

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其中4块冷板试样流道内具有不同高度或间距的毛化结构,毛化结构详细设计差别见表1。第5块冷板是作为参考的无毛化结构冷板,内部为光滑流道。该试验测试了不同电子束毛化冷板的散热性能。

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实验通过测试模拟芯片壳温和供液温度,确定不同冷板试样的芯片温度与供液温度的温差,根据温差大小来评估其散热效果。采用T型热电偶,通过数据采集仪记录温度值,利用涡轮流量计测量系统流量。液冷源冷却液为60号乙二醇溶液。图2为实验平台。

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将发热电阻安装在冷板上表面(假定冷板试样的焊接盖板面为下表面),发热电阻应安装在冷板流道中心。通过电阻发热模拟芯片发热情况,记录模拟芯片壳温(温度测点1)以及供液温度(温度测点2)。实验主要关注不同冷板试样的模拟芯片与冷板之间的温差变化,以确定冷板的散热性能。

将发热电阻的发热量设置为85W,推算热源的热流密度为22W/cm2,供液流量为20L/h。在测试过程中应使用保温棉包裹实验装置,以隔离外部干扰,减小实验误差。测试结果见表2,其中的温差是指模拟芯片与液冷机组供液之间的温差。

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从测试结果来看,有毛化结构冷板的散热性能优于无毛化结构冷板试样的散热性能10%以上。

5号无毛化结构的冷板试样的测试结果(温差为45.9)为基准,计算其他几类冷板相较于5号无毛化结构冷板散热性能提升的比值,绘制不同冷板的散热能力分析图,如图3所示。

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由牛顿冷却公式q=h∆T(q表示热流密度;h表示换热系数;∆T表示模拟芯片与供液的温差)可知,给不同毛化冷板试样施加相同的热源,即在相同的22W/cm2热流密度情况下,各毛化冷板的对流换热系数(散热能力)与温差成反比。

由实验结果可知:相较于无毛化结构冷板,4款带毛化柱结构的冷板试样在当前工况下的散热能力均得到了提升,对流换热系数提升均在10%以上;4款带毛化柱结构冷板试样之间的散热能力相差不大。散热能力的提高主要在于流道内毛化柱散热面积的增加和流体湍流度的提高。这4款毛化冷板内毛化柱增加的总散热面积相差不大,20L/h的供液流量使得流道内流速较大,湍流度已经很高,有毛化柱和无毛化柱结构的对流换热系数相差较大,但毛化柱阵列的不同排布对对流换热系数的影响不大。因此4类有毛化柱结构冷板试样的散热性能差别不大。

受限于现有毛化柱冷板尺寸和阵列种类,毛化结构具体形式对冷板散热的影响尚不清晰。为进一步优化冷板的毛化柱结构,强化冷板散热能力,应开展数值仿真实验分析,对比高热流密度、小流量情况下的毛化结构散热情况。

2 数值仿真分析

数值仿真采用FloEFD平台,选择发热功率为20W、尺寸为2mm×5mm的芯片作为体积热源,热流密度为200W/cm2。芯片下方安装尺寸为20mm×20mm×3mm的纯铜片,模拟发热芯片的载板或组件壳体。热仿真中采用与实验相同的冷却工质,选择60号乙二醇溶液,入口温度为27,流量为1L/h,出口压力为1个大气压。

选定的毛化结构如图4所示。典型排列方式为:单根毛化柱高6mm,直径为1mm,各阵列流向间距为8mm,横向间距为4mm

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首先对有无毛化柱结构的冷板散热能力进行仿真。仿真热边界及热耗输入均按照上文所述进行。两组冷板热仿真的温度分布如图5所示。从图5可知:无毛化结构芯片的最高温度为87.0,温升为60.0;带有毛化结构通道的芯片的最高温度为74.6,温升为47.6。散热效果提高了20.7%。对照上文的实验结果,可以看出,在更大热流密度、更小流量的恶劣工况下,毛化柱阵列结构冷板的散热能力优势更加明显。其强化散热的原因主要是毛化柱阵列增加了冷却工质在冷板流道中流动的湍流度,提高了对流换热系数,同时加大了冷却工质与冷板之间的散热面积。对于不同毛化柱结构参数和阵列间距对散热的影响,需要以控制变量法做进一步分析,以获得更好的优化解。

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然后从毛化柱的高度、直径以及阵列流向间距3个方面对其散热性能进行热仿真比较,优化毛化阵列结构设计。固定毛化柱直径为1mm、阵列流向间距为8mm,高度分别设置为6mm,4mm以及2mm。图6为不同毛化柱高度冷板的温度分布云图

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从以上仿真结果可以看出,高度变化对毛化结构换热性能有较大的影响:毛化柱越高,芯片的散热效果越好。毛化柱高6mm的冷板的最高温度为74.6,毛化柱高2mm的冷板的最高温度为83.7,温差变化为16%。这是由于毛化柱越高,换热面积越大,同时毛化柱对流道内工质的扰动作用强化了流体与毛化柱之间的换。

固定毛化柱高度为6mm、阵列流向间距为8mm,直径分别设置为0.8mm,1mm1.2mm。图7为不同毛化柱直径冷板的温度分布云图。

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从以上仿真结果可以看出,毛化柱结构直径为0.8mm,芯片的最高温度为76.5;毛化柱结构直径为1mm,芯片的最高温度为74.6,毛化柱结构直径为1.2mm,芯片的最高温度为73.4。由此可见,毛化柱直径越大,芯片的散热效果就越好,但直径变化对毛化结构换热性能的影响有限,温差变化在4%以内。

固定毛化柱高度为6mm、直径为1mm,毛化柱阵列流向间距分别设置为4mm,6mm8mm。图8为不同毛化柱流向间距冷板的温度分布云图。

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从以上仿真结果可以看出,毛化柱阵列流向间距为8mm时的芯片最高温度为74.6,间距为6mm时的芯片最高温度为74.1,间距为4mm时的芯片最高温度为73.1。由此可见,毛化柱阵列流向间距越小,芯片散热效果就越好。这是由于毛化柱阵列密集排布于发热源之下,缩短了芯片散热路径,有利于芯片散热,但综合影响有限。

3 结束语

电子束毛化冷板将是在低流量、高热流密度工况下强化冷板散热的一种有效手段。其毛化阵列结构能有效提高冷板流道的表面散热面积,同时加强流道内工质的扰动,提高对流换热能力。本文针对4款电子束毛化冷板试样进行了热性能实验研究,同时进行了毛化柱阵列参数变化的数值仿真研究。实验和仿真结果表明:

1) 芯片热流密度为22W/cm2、供液流量为20L/h,电子束毛化冷板相较于普通冷板的散热能力提高了10%以上,且在高热流密度、小流量恶劣工况下的散热能力提升更为明显;

2) 在毛化柱结构特性中,毛化柱高度对散热性能有较大影响,因此加大毛化柱高度有利于提高其散热性能;

3)在一定范围内增大毛化柱结构的直径,减小毛化柱阵列的纵向间隙,可使散热性能得到一定程度的提高,但效果有限。

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