0 引言

電子束“毛化”技術(shù)是一種新型電子束表面加工技術(shù),其成形原理主要是借助于電磁場對電子束的復(fù)雜掃描控制而在金屬材料表面產(chǎn)生特殊的陣列結(jié)構(gòu)?當(dāng)前電子束“毛化”技術(shù)已經(jīng)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(yè)技術(shù)的發(fā)展,高熱流密度電子器件的散熱問題成為制約設(shè)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(shù)應(yīng)用于液冷冷板,其毛化陣列結(jié)構(gòu)能有效提高冷板流道表面的散熱面積,同時(shí)加強(qiáng)流道內(nèi)工質(zhì)的擾動(dòng),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(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值仿真研究不同毛化柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和陣列間距對散熱的影響,優(yōu)化毛化結(jié)構(gòu)陣列參數(shù)設(shè)計(jì)?

英國焊接研究所已經(jīng)可以根據(jù)需要在材料表面定制不同的毛化結(jié)構(gòu)形貌(如形狀?大小?角度?密度等)?該機(jī)構(gòu)的研究主要集中在改進(jìn)電子束的偏轉(zhuǎn)能力?改善電子束流品質(zhì)和一致性等方向;文獻(xiàn)則對毛化結(jié)構(gòu)陣列對散熱的強(qiáng)化作用做了研究,設(shè)計(jì)了一種斜刺陣列毛化結(jié)構(gòu)來提高散熱能力?國內(nèi)某所在前期多束流電子束加工技術(shù)的基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)了電子束“毛化”結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)陣列,如圖1所示?

其中4塊冷板試樣流道內(nèi)具有不同高度或間距的毛化結(jié)構(gòu),毛化結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)差別見表1?第5塊冷板是作為參考的無毛化結(jié)構(gòu)冷板,內(nèi)部為光滑流道?該試驗(yàn)測試了不同電子束毛化冷板的散熱性能?

實(shí)驗(yàn)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(jù)溫差大小來評估其散熱效果?采用T型熱電偶,通過數(shù)據(jù)采集儀記錄溫度值,利用渦輪流量計(jì)測量系統(tǒng)流量?液冷源冷卻液為60號乙二醇溶液?圖2為實(shí)驗(yàn)平臺?

將發(fā)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(fā)熱電阻應(yīng)安裝在冷板流道中心?通過電阻發(fā)熱模擬芯片發(fā)熱情況,記錄模擬芯片殼溫(溫度測點(diǎn)1)以及供液溫度(溫度測點(diǎn)2)?實(shí)驗(yàn)主要關(guān)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(fā)熱電阻的發(fā)熱量設(shè)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(yīng)使用保溫棉包裹實(shí)驗(yàn)裝置,以隔離外部干擾,減小實(shí)驗(yàn)誤差?測試結(jié)果見表2,其中的溫差是指模擬芯片與液冷機(jī)組供液之間的溫差?

從測試結(jié)果來看,有毛化結(jié)構(gòu)冷板的散熱性能優(yōu)于無毛化結(jié)構(gòu)冷板試樣的散熱性能10%以上?

以5號無毛化結(jié)構(gòu)的冷板試樣的測試結(jié)果(溫差為45.9℃)為基準(zhǔn),計(jì)算其他幾類冷板相較于5號無毛化結(jié)構(gòu)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(shù);?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(shù)(散熱能力)與溫差成反比?

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:相較于無毛化結(jié)構(gòu)冷板,4款帶毛化柱結(jié)構(gòu)的冷板試樣在當(dāng)前工況下的散熱能力均得到了提升,對流換熱系數(shù)提升均在10%以上;這4款帶毛化柱結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)流速較大,湍流度已經(jīng)很高,有毛化柱和無毛化柱結(jié)構(gòu)的對流換熱系數(shù)相差較大,但毛化柱陣列的不同排布對對流換熱系數(shù)的影響不大?因此4類有毛化柱結(jié)構(gòu)冷板試樣的散熱性能差別不大?

受限于現(xiàn)有毛化柱冷板尺寸和陣列種類,毛化結(jié)構(gòu)具體形式對冷板散熱的影響尚不清晰?為進(jìn)一步優(yōu)化冷板的毛化柱結(jié)構(gòu),強(qiáng)化冷板散熱能力,應(yīng)開展數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)分析,對比高熱流密度?小流量情況下的毛化結(jié)構(gòu)散熱情況?

2 數(shù)值仿真分析

數(shù)值仿真采用FloEFD平臺,選擇發(fā)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(fā)熱芯片的載板或組件殼體?熱仿真中采用與實(shí)驗(yàn)相同的冷卻工質(zhì),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(gè)大氣壓?

選定的毛化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的冷板散熱能力進(jìn)行仿真?仿真熱邊界及熱耗輸入均按照上文所述進(jìn)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(jié)構(gòu)芯片的最高溫度為87.0℃,溫升為60.0℃;帶有毛化結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)冷板的散熱能力優(yōu)勢更加明顯?其強(qiáng)化散熱的原因主要是毛化柱陣列增加了冷卻工質(zhì)在冷板流道中流動(dòng)的湍流度,提高了對流換熱系數(shù),同時(shí)加大了冷卻工質(zhì)與冷板之間的散熱面積?對于不同毛化柱結(jié)構(gòu)參數(shù)和陣列間距對散熱的影響,需要以控制變量法做進(jìn)一步分析,以獲得更好的優(yōu)化解?

然后從毛化柱的高度?直徑以及陣列流向間距3個(gè)方面對其散熱性能進(jìn)行熱仿真比較,優(yōu)化毛化陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?固定毛化柱直徑為1mm?陣列流向間距為8mm,高度分別設(shè)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(jié)果可以看出,高度變化對毛化結(jié)構(gòu)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(shí)毛化柱對流道內(nèi)工質(zhì)的擾動(dòng)作用強(qiáng)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(shí),直徑分別設(shè)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(jié)果可以看出,毛化柱結(jié)構(gòu)直徑為0.8mm時(shí),芯片的最高溫度為76.5℃;毛化柱結(jié)構(gòu)直徑為1mm時(shí),芯片的最高溫度為74.6℃,毛化柱結(jié)構(gòu)直徑為1.2mm時(shí),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(jié)構(gòu)換熱性能的影響有限,溫差變化在4%以內(nèi)?

固定毛化柱高度為6mm?直徑為1mm時(shí),毛化柱陣列流向間距分別設(shè)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(jié)果可以看出,毛化柱陣列流向間距為8mm時(shí)的芯片最高溫度為74.6℃,間距為6mm時(shí)的芯片最高溫度為74.1℃,間距為4mm時(shí)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(fā)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?

3 結(jié)束語

電子束毛化冷板將是在低流量?高熱流密度工況下強(qiáng)化冷板散熱的一種有效手段?其毛化陣列結(jié)構(gòu)能有效提高冷板流道的表面散熱面積,同時(shí)加強(qiáng)流道內(nèi)工質(zhì)的擾動(dòng),提高對流換熱能力?本文針對4款電子束毛化冷板試樣進(jìn)行了熱性能實(shí)驗(yàn)研究,同時(shí)進(jìn)行了毛化柱陣列參數(shù)變化的數(shù)值仿真研究?實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明:

1) 芯片熱流密度為22W/cm2?供液流量為20L/h時(shí),電子束毛化冷板相較于普通冷板的散熱能力提高了10%以上,且在高熱流密度?小流量惡劣工況下的散熱能力提升更為明顯;

2) 在毛化柱結(jié)構(gòu)特性中,毛化柱高度對散熱性能有較大影響,因此加大毛化柱高度有利于提高其散熱性能;

3)在一定范圍內(nèi)增大毛化柱結(jié)構(gòu)的直徑,減小毛化柱陣列的縱向間隙,可使散熱性能得到一定程度的提高,但效果有限?

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