（人机与环境工程专业论文）电子设备冷却用液冷冷板的传热性能研究.pdf

皇王堡鱼堡塑型逛堡堡堡堡垫垡壁塑茎 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ef i n so fc o l d p l a t ea r es i m p l i f i e da sae q u i v a l e n ts o l i dl a y e r ，a n dt h e h e a tt r a n s f e rb yc o n v e c t i o no ft h ec o o l i n gl i q u i di sr e g a r d e da sa ni n s i d eh e a ts o u r c ei nt h e e q u i v a l e n tl a y e e b a s e d u p o n t h ef o r m e r s i m p l i f i c a t i o n ，t h ep r o b l e m o f c o n d u c t i o n c o n v e c t i o nc o u p l i n gi st a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ed o m a i no fh e a tc o n d u c t i o n ，a n d t h em o d e lo fe q u i v a l e n t l a y e r w i t h a n i s o t r o p i c h e a t t r a n s f e r i n g c o e f f i c i e n t si sa l s o a m e l i o r a t e d w i t ht h em o d e lo fc o l d - p l a t e ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n go nt h es u r f a c eo f c o l d p l a t e i ss o l v e db ym e a n so fn u m e r i c a lc a l c u l m i o n ，a n dt h ef a c t o r sa r et h o r o u g h l y a n a l y s e dw h i c hi n f l u e n c et h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo nt h es u r f a c eo fc o l d p a t ea n dt h e p r e s s u r e d r o pi nt h ec o r eo f t h ec o l d p l a t e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s a n dt h e e x p e r i m e n t a t i o n d a t as h o w st h a tt h em o d e la n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o da r e a p p l i c a b l e t h ea n a l y s i s o nt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h em a x i m a lt e m p e r a t u r eo nt h e s u r f a c eo fc o l d s u r f a c eh a sd i r e c t i v em e a n i n go nt h ec h o i c eo ft h ep a r a m e t e r sf o rt h e l i q u i d - c o l d p l a t ew h i c h i su s e df o rt h ec o o l i n go fe l e c t r o n i cd e v i c e s b a s e do nd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h i sa r t i c l eg e t ss o m ec u r v e sf o rv a r i o u s o p t i m i z i n g o b j e c t i v e st oe v a l u a t et h eh e a tt r a n s f e r i n gc a p a b i l i t yo fc o l d p l a t e s ，w h i c h i sp r a c t i c a lt o o p t i m i z e t h ed e s i g no f c o l d p l a t e s t h e k e y w o r d s ： c o l d p l a t ec o o l i n g e l e c t r o n i cd e v i c e 南京航空航犬大学硕十学位论文 第一章绪论 随着科学技术的进步，电子设备的复杂程度不断提高，工作容量同益增大，自身体 积急剧缩小，尤其是近几年，大规模和超大规模的集成电路达到了在一个基片上设置一 n 多力门电路，以致运行时每单位体积的发热率发展到甚至超过了大型电站锅炉炽热炉 膛内的发热率；多层封装技术使这种单位体积发热率继续增大，这就使与电子设备可靠 性密切相关的热控制问题更加突出。电子系统的热控制技术的发展，对电子系统或元器 俐的町靠性和成本都具有深远的影响。 1 1 电子设备及仪器热控制技术发展概况 在过去的五十多年中，电子元器件的热控制一直是现代传热技术的主要应用之 一。与元件可靠性的改善，功率、容量的增加和结构的微小型化相联系的许多好处， 都可以归功于不断完善的热分析和热设计，尽管有环境条件的变化甚至恶劣环境的 存在，还是使元件的温度维持在所希望的范围内。下面回顾一下电子仪器热控技术 的演变过程。 电子仪器热控制技术的发展大致可以从以下三个阶段来概括： 第一阶段是二次世界大战以前，在这一阶段“电子管”l l j 的问世，扬声器开始使 用，电报、广播电视已进入实验阶段，随着无线电工业的开始形成和发展，早期的 电子( 1 9 2 1 一一1 9 4 0 ) 热控制技术也开始形成并发展。其中比较典型几篇早期的经 典论著有：c o c k r o f l 【2 j 于1 9 2 5 年发表了确定变压的铁心内温度分布的文法，以倡导电 子元件的热分析，m o u r o m t s e 挣驯于1 9 3 5 年研究了大功率真空管的空气和液体的冷却 问题。 第二阶段是第二次世界大战期间，由于战争的需要，促使电子设备获得突飞猛进 的发展，开始出现一些高精尖的电子产品。如：无线电通信方面的发收报机，以及确 定船只和飞机位置的雷达。由于当时使用的是电子管元件，所以电路复杂庞大，耗散 功率很大，电子管( 每个电子管大约需2 w ) 及电路的热控制和热设计已成为无线 电工业不可缺少的一部分，这一期间，有关传热的论著较前许多，著名的有： m o u r o m t s e 拼4 1 的真空管的水冷和空气冷却，e l e n b a a s 5 】于1 9 4 5 年分析了平行平板在 自然对流状况下的温度分布，b o e l t e r , m a r t i n e l l i 和r u m i e 【6 j 发表飞行器热交换器研究 和设计指南，这一阶段的有关传热方面的成果为现代的电子设备的仪器热控制技术奠 定了基础。 第三阶段是第二次世界大战的后期至今。电子仪器日益广泛应用于军事和民用部 门，使电子元件的热封装和热设计受到普遍重视，从此，电子仪器的热控制技术进入 j 屯子设备冷卸川液体玲板传热性能研究 了盛世。自从1 9 4 8 年，贝耳实验室的些物理学家在理论上发现晶体管以来，微电 子封装向小型化的更高阶段迈进。微电子技术和大规模集成技术的迅速完善，使得电 子设备的复杂程度不断提高，工作容量，使得电子设备的复杂程度不断提高，工作容 量f 1 益增大，自身体积急剧缩小，而设备只有在电气、热及机械几方面都经过恰当的 i 殳计和精心的组合，才能以规定的性能和可靠性很好地工作，正因为热控制技术占有 如此重要的地位，二次大战后，越来越多的人从事传热技术的研究。内容包括两方面， 方面，不少人集中于整理和论证以6 d 的传热成果，以及常规的空气和液体的冷却技 术的标准化上，另一方面，不少人将大量精力在花在研究和发展新的传热技术上，如 元件的浸没冷却，强化流动沸腾，热管，热电控温器以及相变热控温器，这些技术都 已陆续用于电子元件的热控制。尽管如此，现有的热控制技术还是在一定程度上限制 了集成电路微型化的发展。 现代航空电子设备性能在飞机性能中占有越来越重要的地位。随着飞机作战环境 日益复杂，作战性能更加依赖于航空电子系统，这不仅导致航空电子设备的数量及功 率越来越大，其所需制冷量已达几十千瓦，如f 一1 5 电子设备制冷量要求约为5 0 k w ， 而座舱制冷量才要求4 5 k w t “，而且由于受安装体积的限制，在新一代航空电子系统 中，模块化的范围涉及接受、发射、信号处理、数据处理、电源等分系统。航空电子 设备功率急剧升高和集成电路封装密度的不断提高，使得其局部的热流密度非常巨 大，为保证对环境温度的影响比较敏感的电子设备正常的工作，要求环境控制系统提 供足够的制冷量及良好的散热能力。 1 2 电子设备及仪器热控制方法 由于电子设备所工作环境和功能干差力别，因此，所应用的热控制方法也不同。 主要的热控制方法有如下几种： 1 、自然冷却法 自然冷却法是指不使用任何外部辅助能量( 如：压气机、鼓风机、压缩气体等) 的情况下，实现传热的方法。自然热传递方法，往往仅适用于小型化部件的散热，密 封及密集组装的元器件，不宜采用其它冷却技术，往往也采用自然冷却法。 2 、强迫空气冷却法 强迫空气冷却法主要靠强迫对流作用，将热从热源传递到散热器或直接传递到外 部空间。通常，在很多环境中空气总是可以获得的流体，不需要费用、无毒，并且有 相当高的吸热能力，所以它是一种有用的热传递流体，然而遗憾的是：驱动传热系统 的驱动能量往往本身就成为热负载的一部分，并且设备里每一个地方的空气温度必须 低于它所流经的热表面的温度等影响了它的一些使用范围。 3 、蒸发冷却法 南京航空航天大学硕十学位论文 蒸发冷却( 沸腾) 是己知的最有效的散热方法。其散热量比自然冷却法高1 0 ，0 0 0 倍。它的传热效果是由两个有关效应形成的。其一是这个过程利用于液体汽化的潜 热，其_ 二是由于局部紊流和气泡形成中的迁移效应，使得热固体与冷却剂界面的局部 传热系数大大提高。分为直接蒸发冷却和制接蒸发冷却。它的优点是冷却剂能吸收大 量的热量，并且温度不变，对冷却系统的稳定作用是显而易见的。缺点是由于冷却剂 是以液体、蒸汽和湿气混合物状态存在于系统的各部分中，因此，冷却系统比较复杂， 维护困难，另一个于系统工作时的压力一般与环境压力之阳j 有一个压差，当电子设备 发生故障，产生异常的高热量时，容易发生事故。 4 、热管 热管是一种传导率很高的热传导器。它实质上是一个衬有毛细结构或毛细芯的真 空封闭容器。流体在冷端冷凝，依靠毛细管抽吸力回到热端。在蒸发段液体不断蒸发 而吸收电子元件热量，蒸汽沿着管腔流动。热管用于电子设备冷却的优点是：第一， 沿整个蒸发段表面基本上可保持均匀的温度，可自动地形成均匀的热源温度。第二， 与热源和散热器接触的面积及结构互不相干，可进行单独设计，以满足各种使用要求。 它的缺点是：对重力很敏感，在某些情况下，如在低温环境下停止工作时，有可能出 现冻结现象，起动困难，流体蒸汽压力是温度函数，故有可能在热管的外壳里形成超 压，这会导致严重事故。 5 、热电冷却方法 热电冷却法【8 1 主要原理是在需要冷却的低温区( 冷端) 将热能转换为电能，使电 能沿导体传输( 电子流流动) ，并在局部散热器( 热端) 上将电能再转换为热能；从 而实现两点之间的热传递。热电冷却器产生致冷效应是通过对热电偶条用固态工艺实 现的，因而没有被磨损或需要维护的活动部件，并且可靠性和寿命等同于其它固态器 件。它的主要缺点是性能系数比较低。如：一台热电装置要把1 0 瓦的热源冷却到比 散热器温度低3 0 。c ，它需要5 0 瓦电源功率去抑制和克服热电偶产生的电压，迫使电 流“逆向”流动，因此散热器现在必须散掉6 0 瓦才行，而不是1 0 瓦。 6 、相变冷却 一般物质都有三种状态，气、液、固态。当物质从任意相变为另一相时，都要吸 收或放出一定的热量，而本身的温度不变。相变储热器就是利用物质这一特性的。相 变材料储热器早先用于太阳能蓄热或废热回收系统，近年来，首先应于航天工作。例 如，巡航导弹或现代高性能飞机上装载的电子仪器，由于恶劣的飞行环境，加上希望 热控制装置小而轻，能耗尽可能地小，不同仪器又需要独立地处理，相变材料储热器 j 下是为了适应这种要求而发展起来的。 7 、冷板冷却 冷板是普通板翅换热器的特例，是单层板翅换热器，其流通的流体有气体、液体 两种。发热元件固定在其基板上，电子元器件的发热靠自然对流、传导或辐射传递给 电子设备冷却川液体冷板传热性能研究 冷板面板、翅片，进而传给冷板通道内的流体带至散热器。 由上可知，当进行一特定电子设备及仪器的热设计时，可供选择的冷却方法很多， 一般来说，要根据具体情况，遵循可用性、可靠性、可维修性、相容性、经济性血项 原则来选择。目前，电子设备上用得最普遍的还属强迫风冷及液冷冷板冷却方式。由 于冷板结构简单、效率较高、可选的流体种类多，冷却的热载荷范围宽，对高热流密 度电子设备的冷却能起到很好的效果。因此，在飞机电子设备冷却系统中得到了越来 越广泛的应用，特别近年来航空电子设备功率的不断加大，液体冷却系统得到广泛应 用，本论文将主要研究以液体为工作介质的冷板传热特性。 1 3 国内外冷板研究概况 国外公开发表的主要针对冷板的研究资料较少，主要集中在翅片强化传热，翅 形优化等方面的理论与试验研究工作，如ab e j a n 和a m m o r e g a 9 1 在1 9 9 3 年研究了 均匀热流层流下锯齿型翅片的优化设计，其优化设计主要集中于翅片厚度及翅片间 距的设计，该研究表明在强迫对流层流状态下优化后的锯齿型翅片的热阻是平直型 翅片热阻的一半；n c d e j o n g l j o l 等人利用可视化技术对锯齿型翅片对热流和液流的 影响从数学模型和试验上进行了研究，研究表明在一定雷诺数，二维非稳态数学模 型反映出流体流动和热交换的特性，当雷诺数大于1 3 0 0 时，流动呈现出三维特性， 边界条件、涡区的形成等对热交换都有显著的影响。这些研究大多是集中在翅片的 研究上，考察j 、卜_ r e 的关系。有代表性的是k a y s 等人】根据试验数据以统一格式 整理了5 6 种板翅式表面和2 1 种翅管式表面的j 、f 和r e 数关系的数据。 国内对冷板方面的研究有：辛明道、张培杰、杨军“”等人对空气在9 种不同结 构尺寸的微矩形槽道试件内的受迫对流换热进行了实验，通过测量流经微矩形槽道 试件空气的进出口温度、空气流量和槽道底面的温度等参数，计算出微槽三个壁的 平均换热系数，进而整理成两个经验式： 层流区： n u = o 0 0 3 1 r e l l 8p r o 4 m w c ) 0 1 9 湍流区： n u = 0 0 0 3 3 r e o 9 9p r 0 4 ( 1 2 ) 结果表明在层流区，槽道当量直径d e = o 2 1 1 m m 时，换热与大槽道的情况有 明显区别，努谢尔数随雷诺数的减小而降低，当d e = o 2 1 1r o r n 时，换热出现逼近 大槽道n u = 常数的趋势：1 9 9 6 年谭克俊等人【1 3 l 采用对流一导热耦合数值解法求解 了连续矩形翅片冷板在强迫风冷条件下的温度场，图1 1 给出了矩形通道的界面形 南京航空航天人学硕十学位论文 状，其方法为：认为翅道内流体为充分发展的流动，固体和流体的传热和流动方程 如下： 固体区域溅量方程去( 豢+ 筹+ 箬) _ o ( 13 ) 流体区域：动量方程( 筹+ 等) 一窆= 。 ( 14 ) 能量方程所印，”i a t ：晏( 兄，罢) + 晏( 五，娶) + 昙( 兄，i a t ) ( 1 5 ) o zo x0 xo vo v0 zo z 再忽略z 方向的导热，在交界处的导热系 数采用固体与流体的调和平均值，用数值 解法可求解出冷板表面的温度场。这种解 法对间断型翅片来说，其边界条件变得相 当困难，影响了其推广使用。 1 9 9 5 年陈文虎【l4 l 等人假设冷板两基 板整个表面热源均匀分布且上下基板表 面温度相等，翅片则被简化为一等效厚 度，翅片通道内的对流换热则用冷板下侧 面等效对流系数进行处理，这实际上建立 了冷板表面温度分布的一维数学模型，并 在冷板表面为均匀分布热负荷条件下进行了 图l l 翅片通道 试验研 究：杨春信等人【l 列假设在冷板厚度方向不存在温度梯 度、冷板上热流密度均匀分布，建立了空芯冷板一维稳态模型和失效的动态温度模 型，分别得到了空芯冷板稳态温度分布与功率一温度一流量关系和温度一时问响应特 性。然而，冷板在使用过程中，电子元件的发热量往往比较集中，即冷板热源常常 是单面局部分布的，因此以上方法的假设与冷板工作的实际情况有较大的差别。有 一定的局限性。 2 0 0 0 年杨小龙6 】等人对以气体为冷却介质的冷板进行了理论与试验研究，在理 论上，提出等效厚度概念，建立了冷板表面热源分布为非均匀情况下的数学模型及 差分方程，并对其进行求解，并对理论计算结果进行了试验验证。 目前，国内外对冷板的研究尚很不充分，用于工程设计中的设计方法比较粗糙【1 7 j ”8 1 l ，而对翅片表面的对流换热的研究则己比较深入，因此，对冷板传热特性及设 计方法的探讨具有重要的实际意义。 电子设备冷却_ l 液体冷扳传热性能研宄 1 4 研究方法及内容 随着新一代高性能的飞机的飞速发展，电子设备冷却问题越来越突出。如何在较 短的设计周期内，设计出满足电子设备冷却要求、高可靠性的冷却系统及其执行元件 一冷板，将是科研生产中面临的一个重要问题。因此丌发出一套切实可用的工程算法 是很有实际意义的。 本文的主要研究内容有：根据传热机理分析，进一步完善导热系数各向异性等效 模型，并考虑冷板表面热源非均匀布置情况，建立以液体为工作介质的冷板数学模型， 用数值计算方法求解冷板表面温度分布，并对影响冷板表面最高温度及芯体流动压力 损失的各种因素进行深入分析。将数据整理成不同的优化目标函数曲线，用以评估冷 板的传热性能。 在计算上，采用有限差分法，应用三对角阵算法、松驰迭代法进行求解。 南京航空航天人学硕十学位论文 第二章冷板基本结构及翅片通道内对流换热系数和阻 力特性计算 作为冷却系统的重要部件，板翅式冷板自上世纪三十年代问世以来，由于其传 热面积进行了充分扩展，使单位体积内的换热面积得到极大提高，并且其翅片结构 比较特殊，或有孔洞，或有缝隙，或有折弯能够破坏边界层，促进流体紊流，因此 其换热强度很大，结构非常紧凑，在各行各业中得到了极其广泛的应用。 2 1 冷板基本结构 冷板是一种单流体换热器，由基板、翅片和挡板组成，在厚度为1 5 1 0 m m 的 两块平板间夹有厚度为0 】5 0 7 m m ，高度为2 1 5 r a m 的波形翅片，其两侧用挡条 加以密封而形成。翅片间通道中通以冷却流体，电子元件( 即冷板的热源) 则被固 定在一侧或两侧基板上，热量由电子元件通过导热传给基板和翅片，然后由冷却流 体带走。翅片主要用来扩大传热面积，减少流体的热边界层厚度来降低热阻，进而 提高换热效率。翅片的型式很多，主要有：平直型翅片、锯齿型翅片、波纹型翅片、 多孔型翅片、百叶窗式、杆形翅片等。本论文主要分析平直型和锯齿型这两种常见 翅片的冷板。冷板结构示意图如图2 1 。 图2 一l 冷板基本结构与尺寸示意图 电子设备冷却用液体冷板传热性能研究 图中：h 一冷板的厚度 h 一翅片高度 b 一冷板的宽度 w 一冷板的有效宽度 l 一冷板的长度 1上基板 2 一侧封条 3 一下基板 2 1 1 翅片型式 翅片的作用是扩大传热面积，提高换热器的紧凑性、提高传热效率；兼做隔板 支承，提高冷板强度和承压能力。 常用翅片型式有乎直型、锯齿型、多孔型、人字波纹型等几种。 1 ) 平直型翅片： 平直型翅片根据流道可分为正方形、矩形、三角形、梯形等型式，如图2 - - 2 。其 特点是具有直线通路，仅起扩大传热面积和支撑作用，而对促进流体湍动效果不大。 其放热特性和流体动力特性与流体在圆管内流动相似。流道长度对传热效果有明显 影响相对于其它型式翅片，其换热系数和阻力均较小。 图2 2 平直型翅片 2 ) 锯齿型翅片： 锯齿型翅片的特点是沿翅片长度方向具有许多微小的凹槽，构成形若锯齿状的通 路，如图2 3 。这种翅片利于促进流体湍动，破坏热阻边界层，以至于在低雷诺数 范围内也可以呈现出类似湍流的特性，属于高效能翅片之一。在相同压力降的条件 下，其换热系数要比平直型翅片高3 0 以上，但其阻力较大。 南京航空航天犬学硕十学位论文 3 ) 多孔型翅片： 多孔型翅片翅片上密布许多小孔，如图2 4 ，可使热阻边界层不断破坏，以提高 换热效率和使流体在翅片中分布更为均匀，利于流体中杂质颗粒的冲涮和排除。在 雷诺数较大的范围内( r e = 1 0 3 1 0 4 ) ，其传热系数比乎直型翅片高。 图2 3 锯齿型翅片图2 4 多孔型翅片 4 ) 波纹型翅片： 波纹型翅片翅片纵向呈波纹状( 或人字状) ，如图2 5 ，可使流体流向不断改变以 促进湍流，弯曲处热阻边界层可有微小破坏，故可提高换热效率。这种翅片的性能 介乎于平直型翅片和锯齿型翅片之间。当雷诺数小时，其性能接近于平直型翅片， 随着雷诺数的增加，而接近于锯齿形。另外，波纹越密，波幅越大，其传热性能也 就越好，阻力也随之增大。 5 ) 百叶窗式翅片： 百叶窗式翅片又称为鳞片式翅片或切断式翅片，如图2 6 。翅片上间隔定距离 屡次被切断，并使之向流道呈百叶窗状。百叶窗的格子可不断破坏热阻边界层，因 而可以强化换热过程。折断处间距越小，则越能强化换热但压降有所增加。其性能 介于锯齿型翅片和波纹型翅片之间。这种翅片属于高效能的翅片之一。 图2 - - 5 波纹型翅片图2 - - - 6 百叶窗式翅片 。 电子没备冷却州液体冷板传热性能研究 除以上五种型式的翅片外，还有许多变种，如果采取适当的变换和排列，还可得到 许多其它型式翅片 2 1 2 翅片的基本参数 目前我国较为常用的翅片多为平直型翅片和锯齿翅片。平直型翅片结构简单， 流阻较低，而锯齿翅片实际上是将平直型翅片加工成错丌排列的短的不连续片条， 制造也较为简单，而且当流体流过前面的短翅片时丌始形成层流边界层，但因翅片 短，边界层未充分发展即进入后面的翅片而遭到破坏，并在该翅片的旋涡区中消失， 随后又在下一翅片上形成新的边界层。这样经过边界层的反复形成和破坏，充分利 用了边界层起始段薄、热阻较小的有利条件，从而强化了传热。因此，本论文将主 要以锯齿翅型冷板为例来讨论。 2 1 2 1 矩形平直翅片 矩形平直翅片结构示意图如图2 7 所示，其几何参数间关系由下式进行计算 1 翅片内距 2 翅片内高 图2 7 矩形平直翅片 x翅片内距 b翅距 x = b 一万妞* 翅片内高 翅片厚度 ( 2 1 ) 南京航空航天大学硕十学位论文 3 当量直径 4 通道数 5 通道截面积 6 翅片对流面积 7 上基板对流面积 8 下基板对流面积 9 翅片截面积 2 1 2 2 锯齿型翅片 y = h d 。：! 型：旦 2 ( x + ，)z + ， w n = 一 6 = 等 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西。：2 n ( x + y ) l ：2 ( x + 。y ) 一w l b ( 2 6 ) 厶；n x l ：半 口 如：胍：半 d e = n 6 翅片( x + y + 万翅片) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 锯齿型翅片是将平直翅片沿纵向一定间隔截断而成，其截距用i 表示，其它的参 数与矩形平直翅片相同。 2 1 2 3 三角形平直翅片 三角形平直型翅片也是常用的翅片形式之一，结构示意图如图2 8 所示。 各几何参数之间关系由下式计算： 电子设备冷却用液体冷板传热性能研究 1 当量直径 d e = 4 b ( h 了- 一5 )2 d ，( 一艿) ，zl 九一d l e + z i 譬+ ( h - f i ) 2 。一b + 2 1 譬+ ( h - 8 ) 2 眵涎彳n 、 | 。 图2 8 三角形平直型翅片 b 翅距6 h 翅片厚度 。 翅片角 2 通道数： ：2 兰 b f 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 3 通道截面积： 疗：! ! 二垒生狸二垒苎! 。：! ! 二垒苎型二垒! 坐 。 26 ( 2 1 2 ) 4 翅片对流面积： 广i 一r ? 一 伽z j 等+ c h - 6 趣n ，2 x n l = 4 1 譬砌一2 詈三 弦 5 上基板对流面积： a 。= 昙( 6 一万翅片) 三= 6 下基板对流面积 ( b 一万趣片) w l b f 2 1 4 ) 1 2 南京航空航天大学硕十学位论文 爿= ( b - 氏h ) = ( b - 丁f i 酬) w l 丹：詈占迥。：。6 霜：! ! 颦 2 2 翅片效率 ( 21 5 ) ( 2 1 6 ) 因为翅片很薄，翅片金属板的厚度比翅片高度小得多。所以假定在翅片的厚度 方向温度梯度为零；沿翅片长度方向的热流量很小，将其忽略，温度梯度也为零， 即只有沿翅片高度方向的热传导。 则翅片效率： ，7 ，：t h ( m h ) ( 一1 7 ) 2 叩，。_ l ，胛门 式中： 其中： 一翅片材料的导热系数 h 一翅片高度 a 一对流换热系数 2 3 范宁摩擦因子、传热因子 传热因子与翅片结构形式、肋片前缘和尾缘毛刺等因素密切相关，严格来说， 设计时应根据厂方提供的具体肋片的i 、f 和r e 的关系或根据具体肋片形式所作的 i 、f 、r e 的实验关系曲线进行。文献j 以统一格式提供了5 6 种板肋式表面和2 1 种 肋管式表面的j 、f 和r e 关系的数据。因为j 、f 和i 沁的关系是无因次的，所以它 们的关系对于原始表面保持几何相似的任意表面都是适用的。 对于锯齿型翅片表面，威汀( w i e t i n g ) 【2 l 】关联了2 2 种肋片表面的有效数据并提 出下列方程组： 对于r e 1 0 0 0 ： 压 电子设备冷却_ = | 液体冷板传热性能研究 厂卸s s ( 口- 0 ”黜“7 1 2 ( 2 1 8 ) ，= o 4 8 3 ( ) “2 0 t 。”8 4r e “5 ”( 21 9 ) 6 1 对于r e 一2 0 0 0 ： 川1 3 6 ( 7 8 1 ( r e _ 0 ( 2 2 。) j = 0 2 4 2 ( d 考) “”( ”r e _ 0 ( 2 2 1 ) 其中l 为锯齿型翅片长度或翅片不问断流动长度，称为截距，瓦为肋片厚度， d 。为流道的当量直径，口+ 为流道的宽高比。大部分数据对f 来说偏差在1 5 以内， 对j 来说在1 0 以内。 为获得过渡区雷诺数的f 和j 因子，建议从下列方程确定f 和j 的参考雷诺数： r e j 圳( 7 7 2 口_ o1 7 9 。占1 “ z z ， r e j = 6 1 9 ( 考) 0 ”口_ l 。( 毒) _ 0 5 3 ( 22 3 ) 其中r e ：为两条f _ r e 曲线( 一为r e 1 0 0 0 ，另一为r e 一 2 0 0 0 ) 交点的雷诺数； r e ：为两条j r e 曲线( r e 一 2 0 0 0 ) 交点的雷诺数。若r e r e ) ，则分 别用式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 计算f 和j ，否则分别用式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 计算。同时还需 注意到，在关联以上方程时未考虑到肋片前缘和尾缘毛刺的影响。 2 4 换热系数 冷板中流体换热系数的确定通常是通过试验，最后整理成准则方程式的形式给 出。对于无相变时的放热系数，一般用传热因子j ，斯坦特数s t ，普朗特数p r ，雷诺 数r e 来表示，放热系数表示如下 弘币c p _ 等眠l _ _ ( s t p r 2 卜詈去，鼬 ( w ( m2 。c ) ) ( 2 2 4 ) 南京航空航天大学硕十学位论文 式中 2 j 传热因子，= s t p r 3 ； p r 普朗特准则，p r ：兰? 2 5 冷板芯体压力损失的计算 冷板压力损失可表示如下： a p 。= p + a p # # 一p ”+ a p 。 ( 2 2 5 ) 式中卸为冷板芯体进口压力损失；a p ”为芯体出口压力回升；p 。；为芯体内的 压力损失；p 。为连接端盖的附加损失。 图2 1 0 冷板芯体进出口压力变化 如图2 1 0 所示，进口压力损失为： p ：譬( v2 。一v ；) “华 ( 2 2 6 ) p 。进口截面l 一1 处的流体密度( 近似等于截面a a 处的密度) ，k g m 3 k 一收缩损失系数，无因次； ”l 一截面i 一1 处的速度，m s ； v 。一截面1 1 处的速度，m s 。 芯体出口压力回升为： 矽= 等( v ；- v ；m 学 ( 2 2 7 ) - ； i 、 电子设备冷士川液体冷饭传热性能研究 p “出口截面2 2 处的流体密度( 近似等于截面bb 处的密度) ，k g m 2 ； k ”一扩大损失系数，尢因次； v 2 一截面2 2 处的速度，m s ； v h 一截面b b 处的速度，m s 。 k 、k - ，分别为收缩和膨胀时的几何形状函数，k a y s 7 1 等x , j 一些简单几何形状用分 析，。法确定了这些系数，并以曲线幽形形式表示。不过，以e 曲线是在假定芯体中 具有完全稳定的速度分和条件下得钊的。对于不稳定的速度分布的情况将比稳定的 速度分和情况具有较低的进口损失系数和较高的出口损失系数。而在冷板中使用州 断肋片表面的目的是为了破坏边界层，因而不可能具有光滑长管那样的完全稳定的 速度分布，在此情况下，应根据r e = 。去查取k 、k ”值，当r e = 。时各种表面的k 1 肢k ”值曲线相同。 在以上各压力损失项中，以粘性摩擦项占最大比例，因此本文主要考虑粘性摩擦 项。 整个芯体的压力损失a p 。由定义得出表达式如下： = 2 。f m 印 l ( 2 2 8 ) 式中m 一流体的质量流速k g m 2 s f 一阻力系数山式( 21 8 ) 和( 22 0 ) 确定 l 一冷板k 度m 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章冷板传热分析及其数学模型的建立 3 1 冷板传热分析 冷板主要是由基板和翅片组成的单层板翅式换热器，电子元器件的热量主要由 基板传递给翅片由流体带走。传热包括三个过程：第一个过程是从安装电子元件的 支架到冷板的基板上，第二个过程是热在基板和翅片内部进行三维热传导，第三个 过程是热经过一次传热面基板和二次传热面翅片，以对流形式传递至翅片通道内的 流体。 前两个过程的传热形式为热传导，热阻主要由支架和冷板材料的热阻与接触热 阻( 支架与基板的接触热阻和翅片与基板间的接触热阻) 决定。在航空上，冷板基 板常用材料为金属铝合金板，肋片先由薄铝板冲压或滚轧而成波纹板，然后分别插 入两基板间，然后，用盐浴浸沾钎焊方法，将肋片焊牢在基板上，这样不仅保证冷 板强度而且还减少其接触热阻。第三个过程的传热形式为强迫对流传热，主要是利 用各种形式的翅片来增加传热面积和破坏流体的边界层，达到减小热阻的目的。 显然，冷板的散热问题是一个对流一导热耦合问题。因为对于翅片通道内的流 体对流换热问题，热边界条件无法预先规定，而是受到流体与冷板壁面之间相互作 用的制约。这时无论流体与冷板壁面上的温度还是热流密度都应看成是计算结果的 一部分。 采用有限差分法求解对流一导热耦合问题主要有分区解法和整体求解法两种， 其中整体求解法是分区求解法的一种特例。 分区解法的实施步骤1 22 j 是： 1 分别对各个区域中的物理问题建立控制方程。 2 列出每个区域的边界条件，其中耦合边界上的条件可以取下列三种表达式 中的两个： ( 1 ) 耦合边界上温度连续，t 。i 【= t 。i ( 2 ) 耦合边界上热流密度连续，q 。| 【= q 。i ， 鼻下 ( 3 ) 耦合边界上的第三类条件，一女( ) 。| i = 口( 0 7 1 川。 u 3 假定耦合边界上的温度分布，对其中一个区域进行求解，得出耦合边界上的 局部热流密度和温度梯度，然后应用边界条件( 2 ) 或( 3 ) 求解另一个区域，以得 出耦合边界上新的温度分布。再以此分布作为前一个区域的输入，重复上述计算直 到满足精度要求。 整体求解法是指在某些场合，可以找到适合于不同区域的通用控制方程，在不 17 电子设备冷却州液体冷板传热性能研究 同区域仅是广义扩散系数等不同，耦合界面成了求解区域的内部，如文献 1 3 】。 如前所述，冷板表面温度场可以采用对流一导热耦合的解法，通过求解n a v i e r s t o c k e s 方程，得出流体区的温度场、速度场等参数，进而确定冷板和流体界面上 的对流换热系数，作为冷板基板和翅片区域导热问题的边界条件。然而现在使用的 冷板翅片通道很小，流体流动本来就受固体边界的影响大，并且翅片形式绝大多数 为问断形式，当流体流过时，边界层尚未充分发展即进入后面的翅片而遭到破坏， 并在该翅片的旋涡区中消失，随后又在下一翅片形成新的边界层，这就为求解n a v i e r s t o c k e s 方程增加了很大的困难，进而影响了其结果的精度。即使不求解n a v i e r - s t o c k e s 方程，而用经验关联式求解流体侧平均换热系数，在冷板翅片层，为了增大 换热面积，强化传热，翅片形式多种多样，且大多为非连续性的，这不仅为网格划 分和边界条件处理增加了很大的困难，而且在求解离散方程的过程中在翅片的弯折 及截断处往往不收敛。因此，对流一导热耦合法用于冷板的工程设计有很大的局限 性的。 鉴于上述原因，本论文将对冷板进行一些适当的简化，探求一种不采用对流一 导热耦合法的工程算法。 3 。2 冷板简化处理 传统的换热器设计计算一般包括两种类型的问题一校核性计算和设计性计算问 题。校核性计算问题的已知条件为：传热面积、热交换器的几何特性、热冷流体流 量及其进口温度，求解问题为：热冷流体的出口温度及压降；设计性计算问题的已 知条件为：热冷流体的出1 2 1 温度及其进口温度、要求达到的热交换器效率( 或热冷 流体出口温度) 和压降，求解问题为：传热面积及热交换器芯体尺寸。 在传统的换热器设计计算中，并未涉及到芯体及隔板的温度场计算1 2 3 i 1 2 4 11 2 5 1 。目 前冷板设计也大部分沿用传统的换热器设计方法，已知冷却流体种类、流量、进口 温度和耗散功率等，求解冷板各参数。假定热负载均匀作用于冷板上，即冷板的表 面温度分布如图3 一l 所示，设计过程【2 0 】为： 1 由耗散功率、流体进口温度等参数确定流体出口温度； 2 由进出口温度的算术平均值可确定流体的各物性参数： 3 假定一组冷板各参数尺寸，再由流体物性参数，可确定对流换热系数； 4 由对流换热系数、翅高、芯体导热系数可计算翅片效率； 5 由翅片效率、传热面积可计算冷板热阻： 6 由热阻、流体流量、定压比容可计算传热单元数； 7 由传热单元数，再假定冷板的表面温度分布如图3 一l 所示的前提下可计算 冷板换热效率进而确定容许温度、若高于给定值，重复步骤3 ，直至符合给 南京航空航天大学硕士学位论文 定值。 温度 进口出口 沿流向距流体进口的距离 图3 1 冷板表面温度不意图 显然，这种设计方法中的假设并不能真正反应实际情况，冷板表面上的热源并 不是均匀热源，而是局部非均匀热源，冷板表面温度并不在冷板出口处，因此，该 设计方法与传统的换热器设计计算一样，并没有涉及到冷板表面的温度场计算。而 在冷板的使用过程中，我们最关心的是冷板基板表面上的温度分布，特别是电子元 件安装部位的温度，此温度决定了电子元件结点温度，进而影响其工作性能，可靠 性及寿命。在设计冷板时，其最基本的要求是控制冷板在工作时其基板表面最高温 度。为此，在设计冷板时，我们必须多次对冷板的表面温度场进行计算，其步骤修 改简单表述如下： ( 1 ) 根据要求，初步选择冷却介质及其物理参数； ( 2 ) 预定冷板的结构尺寸和翅片参数； ( 3 ) 计算出冷板的安装表面温度场和冷板的压力损失并与技术指标比较，若参数 满足要求：若参数不满足要求，重新设定冷板结构参数，再计算评定直到满足要求。 从设计过程可看出，一套高效实用的冷板表面温度场的计算方法对冷板设计是 相当关键的。 本文使用关联式确定对流换热系数，同时为了避免对流一导热耦合数值解法的 困难而方便工程计算，对冷板进行一些等效简化处理。 冷板简化的根本目的是在反映真实热流情况的前提下将冷板等效为一个实芯整 1 9 电子设备冷却用液体冷板传热性能研究 体，在整个实芯体内有一个通用的能量控制方程，只是在不同的区域控制方程有不 同的导热系数和不同的广义源项，这样就将冷板换热简化成一个带内热源的非均匀 材料的三维稳态导热模型。 为此，主要进行两方面的简化，一方面，主要是把两基板之间的翅片层折合成 一等效厚度，在保证折合前和折合后的热阻相等的前提下，计算出各方向折合后的 导热系数；另一方面，将流体层看作为内热源。这样简化后，冷板的复杂混合换热 就变为有内热源的热传导。简化后示意图如图3 一l 。 图3 2 等效示意图 通用控制方程为： 警+ 乃等n 鲁= 。 ， z 萨+ 勺萨+ 兄：可+ q v2 0( 3 1 ) 其中 ”x y 、 ：分别为三个方向导热系数，在不同的方向其值是不同的，在 上下基板层三个方向的导热系数均为铝的导热系数，在等效厚度层x ，、x ，、 。 为三个方向上的等效导热系数；q ，为等效内热源，在不同的区域其值是不同的。以 下详细介绍等效厚度及其等效导热系数和等效内热源。 3 2 1 等效厚度 等效厚度是将翅片压合成一与上下基板面积大小一样的实芯板的厚度。其表达 式如下： h g = 盖( m ) ( 3 2 ) 南京航空航天大学硕+ 学位论文 h ：f 一等效厚度 m v ，一翅片的体积 m 3 保持z 方向( 基板之间) 的热阻不变，折合后，z 方向的导热系数由下式可得： e 六= ， b 面产2f 声 ( 3 3 式中： 一等效前z 方向的导热系数；w ( m ) e ：一等效后z 方向的导热系数：w ( m ) a ( z ) 一翅片平行于x - - y 平面的截面面积。 m 2 由式( 3 5 ) 得： 肭 k 。扛 o 4 山爿( z ) 在y 方向上，两截距长度内为一周期，在这一周期内相当于只有一个截距范围 内起导热作用，后一个翅距内由于位置错开，而不能将前一翅距传来的热量继续传 向下一个周期，如用等效导热系数 e y 表示该周期内等效平均导热系数，则一周期内 表达式如下： 芒上咖 射五4 ( y ) 。 12 6 a e y h 牙l ( 3 5 ) 式中a ( y ) 一翅片平行于x - - z 平面的截面面积m 2 九一等效前y 方向的导热系数w ( m 1 由于在每个周期内的等效导热系数相同，故在整个y 方向上的等效导热系数为 式( 35 ) 。 同理可得x 方向上的等效导热系数为： ( 3 6 ) 式中a ( x ) 一翅片平行于y - - z 平面的截面面积m 2 九一等效前x 方向的导热系数w ( m ) 电子设备冷却刖液体冷板传热性能研究 3 2 2 等效内热源 翅片通道内的流体吸收的热量可分为三部分，即：翅片与流体的对流换热q 、上 基板与流体的对流换热q l 、下基板与流体的对流换热q 2 ，则流体吸热量 q 。= q l + q + q 2( 3 7 ) 把翅片压合成与基板面积同样大小的实芯板后，流体与冷板基板和翅片对流换 热可当作体积内热源处理，这样就可通过换热系数d ( x ，y ) ，进而确定微元体等效内 热源的大小，等效后的等效内热源示意图如图3 3 ，3 4 所示，定义微元体放热， 则其内热源热量为正。 ( a ) 等效后冷扳( b ) 上基板贴近等效厚度层微元体 ( c ) 等效厚度层内的微元体( d ) 上基板贴近等效厚度层微元体 图3 3 等效厚度内的等效内热源示意图 体的内热 d q i 上基板靠近等效厚度层( 1 1 层，如图3 - 3 ) 的微元体内热源由下式确定 彳 a q = 口音d x d y ( t t ) t 毗 7( 3 8 ) 南京航空航天大学硕士学位论文 型。 则早位俅积内热源力： g 。= 面d o 面, = a 鲁( 卜丁，丽a x d 面y ( 3 8 a ) 下基板靠近等效厚度层( 3 - - 3 层，如图3 3 ) 的微元体内热源由下式确定： 坦2 a 廿。la x d y ( 卜7 1 ) ( 3 - 9 ) 则单位体积内热源为： 铲恶= 口瓮( ，出d x 磊d y ( 3 9 a ) 等效厚度层i 为( 2 - - 2 层，如图3 - - 3 ) ，整个等效高度内的内热源由下式确定 c i q h f2 口昔出砂( t - t ) ( 3 1o ) 则微元体内热源由下式确定： 坦= 口等妫( ，_ 乃鲁 (