一種微通道液冷板的傳熱優(yōu)化

熱設(shè)計(jì) 2022-04-27

0引言

隨著工業(yè)的快速發(fā)展,大量元件的熱集中問題無法解決,如動力電池和芯片等?為了解決這一問題,大多數(shù)學(xué)者都是基于微通道散熱技術(shù)提出觀點(diǎn)?而微通道散熱技術(shù)最初是由Tuckerman和Pease在1981年提出的?微通道散熱技術(shù)根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同大致可以分為空氣冷卻?液體冷卻和相變材料冷卻?然而在一些高集成電路和功率較大的動力電池中,空氣冷卻并不能滿足其散熱要求,所以液冷散熱成為芯片和汽車動力電池主流的散熱方式?周嘉等針對電動汽車電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)了一種微通道冷板,能夠滿足汽車在不同工況下的運(yùn)行?Jin設(shè)計(jì)了一種新的帶有陣列翅片的液冷板模型,并對翅片的角度和寬度進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得更好的傳熱性能?Pan等人研制了一種扇形空腔微通道換熱器,并與傳統(tǒng)的矩形直微通道換熱器進(jìn)行了對比?結(jié)果表明,采用扇形空腔的微通道換熱器性能更好?在本文中,通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片的方式,優(yōu)化其傳熱效率和功耗損失?

1物理模型

1.1CFD模型

冷板的長寬高為60mm×12mm×2mm,入口和出口的長高為11mm×2mm,錐形翅片的長寬高為2mm×1mm×0.4mm,在圖1中表示?

Tσ 代表散熱器加熱面溫度分布狀況，其數(shù)值越小，效果越好。

1.2邊界條件

2結(jié)果與討論

為了更好的比較兩種液冷板的性能,兩液冷板的外界尺寸和邊界條件均保持一致?(圖2)

從圖2(a)中可以看出隨著質(zhì)量流量的增加,原始液冷板模型的Tmax與新液冷板模型的Tmax逐漸減,同時(shí)兩液冷板之間Tmax的差值也逐漸增大?圖2(b)圖中的兩冷板Taver的變化趨勢與圖2(a)保持一致?而從圖2(c)中可以看到,當(dāng)冷卻液質(zhì)量流量小于2g/s時(shí),新液冷板的Tσ性要弱于原始液冷板的?當(dāng)冷卻液的質(zhì)量流量大于2g/s,新液冷板的Tσ要有優(yōu)于原始冷板,且隨著質(zhì)量流量的增加,其優(yōu)勢逐漸增大?至于ΔP方面,從圖2(d)圖中可以看出,新液冷板模型的壓降ΔP要大于原始冷板模型?

從圖3中可以看出,在冷卻液質(zhì)量流量為3g/s的工況下,新冷板中的冷卻液速度急劇增加,幾乎是原始模型的一倍,同時(shí)其在液冷板中的速度分布更加均勻?綜上原因,其加熱面的Tmax?Taver?Tσ均改善明顯?當(dāng)翅片數(shù)目的增加也會阻礙冷卻液的流動,并在其翅片尾部形成渦流?

圖4(a),圖4(b)中展示的是在質(zhì)量流量為3g/s下的新液冷板和原始冷板加熱面溫度分布情況?從圖4(b)中展示的是原始冷板加熱面的溫度分布,可以看出熱集中區(qū)域處于冷板的中下部,且其面積較大?而從圖4(a)中可以看到,新模型的加熱面的Tmax下降了接近8K,溫度分布改善明顯,其熱集中區(qū)域的面積也減小的好多?

3結(jié)論

在本文中,提出了一種用于冷卻電子芯片或動力電池的新型微通道液冷板,通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片的方式,增強(qiáng)了傳熱效率,同時(shí)壓降損失在可接受范圍內(nèi)?得到的主要結(jié)論如下:①隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加,其冷卻效果會降低,并且會帶來壓降的上升,從而額外的能量損失會增加?②通過在通道內(nèi)部加入錐形翅片,可以有效的降低加熱面的Tmax和Taver,并且Tσ也改善明顯?③隨著冷卻液質(zhì)量流量的增加,傳熱效率會得到一定的提升,同時(shí)也會帶來ΔP的升高,所以冷卻液質(zhì)量流量的選擇要根據(jù)電子芯片和動力電池的具體工作狀況而定?