基于模型确认的ASAAC标准均温板模块热响应分析研究

2023-12-01武雅丽

环境技术 2023年10期

武雅丽

（1.西南电子技术研究所，成都 610036； 2.四川省空天电子装备环境适应性技术工程实验室，成都 610036）

引言

电子设备的高性能、高可靠性、高精度以及小体积、轻量化的发展要求使其集成度、功率以及热流密度越来越高[1]。其中，过高的热流密度会影响电子元器件的性能参数，比如通态电阻、正向压降、阈值电压、导通电流等参数均会随温度的变化而变化；甚至还会引起芯片热失效和应力损失，缩短元器件的使用寿命[2]。因此，有效解决电子元器件的散热问题是保证其性能的前提。目前，常用的散热方式有自然散热、风冷散热、液冷散热、热管散热等。其中热管是一种相变传热元件，通过工质相变传热，当量导热系数可达铜的几倍甚至几十倍。具有导热性高、均温性好等优点，在各民用领域电子设备的散热中广泛应用。由于热管传热维度有限，独立热管无法满足电子设备的散热需求，为充分利用热管的高传热特性，将热管与铜板或铝板结合形成均温板是目前常用的一种方式。

国内外研究者已经对均温板展开了广泛的研究，且取得了较大进展。Deng等人[3]提出一种复合多孔均温板（CPVCs），在蒸发端径向均匀布置沟槽，这种径向的多通道使得流体工质快速回流时液压阻力更小，与传统普通冷板相比，CPVCs的温度均匀性更好。Chen[4]等人设计出了一种新型超薄均温板（UTVC）,该超薄均温板在结构将微柱阵列和铜质网状内芯结合，导热系数是纯铜的30倍，在反重力方向上，最大导热性能仅降低11 %。Velardo[5]等人基于数值模拟与实验对均温板展开研究，研究发现当热源尺寸从20×20 mm变为35×35 mm，均温板等效导热系数从1 900 W/m·K上升至2 400 W/m·K，结果表明热源尺寸的差异会导致均温板内相变和传热过程差异，进而影响均温板热性能。Koukoravas[6]等人为了改善均温板冷凝端的冷凝性能，设计了一种混合润湿性表面来替代传统金属内芯结构，研究发现，当冷凝端表面有65 %处于超亲水状态时，均温板的导热热阻最小。

均温板优异的导热性能，使其在军用领域受到越来越多的关注和研究。军用电子设备与民用电子设备相比，前者所处的环境条件更恶劣且工况多变，且内部器件的热流密度更大，散热要求也更高。因此，基于实际工程项目需要，选择航空机载平台典型产品ASAAC模块作为研究对象。为了提高航空机载平台典型产品ASAAC模块的散热性能，把模块内关键传热路径上的铝合金（6061）材质更换为均温板。基于模型确认，通过数值模拟及实验验证展开对均温板的热响应分析研究，为航空机载平台同类产品的优化设计及验证提供参考。

1 ASAAC模块（铝合金）热响应分析研究

1.1 仿真模拟

1.1.1 物理模型

根据实际情况为研究对象建立物理模型，模型整体由ASAAC模块与液冷夹具组成，如图1所示，模块通过锁紧条安装在液冷夹具中，使模块肋条的一面与夹具的导轨直接接触，形成一条关键传热路径，夹具上下两侧各有一条独立的液冷流道。ASAAC模块外形结构尺寸为233 mm（长）×160 mm（宽）×24 mm（厚），模块由盖板、冷板、PCB印制板和两个同规格的发热器件构成。

图1 ASAAC模块与液冷夹具总装图

1.1.2 控制方程

文中使用CFD软件FloEFD对传热模型进行模拟分析计算，流动区域的控制方程如下[7]：

固相区域的控制方程如下：

式中：

T—温度；

p—压力；

k—导热系数；

cp—比热容；

µ—动力粘度；

ρ—密度。

1.1.3 网格划分

文中网格划分由FloEFD软件完成，该软件使用RAM技术（矩形自适应网格），能自动进行固体和流体区域的网格划分，本次仿真将全局网格划分设置后，对冷板流道近壁面边界层区域进行局部网格细化，网格划分效果如图2所示，计算域尺寸：426 mm×443 mm×540 mm，网格总数：1 790 807，其中流体网格数目891 201，固体网格数目：899 606。

图2 网格划分效果图

1.1.4 求解设置

设置分析类型为“外部流动”，空气温度8 ℃，在液冷夹具的流道进出口创建封盖建立流体子域，流道入口处边界条件为入口体积流量（1 LPM），并设置静压监控，流道出口处边界条件为环境压力（101 325 Pa，8 ℃），该子域流体工质为65号防冻液，仿真将分别对工况1（供液温度10 ℃）、工况2（供液温度30 ℃）与工况3（供液温度50 ℃）进行求解计算。仿真过程中涉及的所有材料物性参数如表1所示。

表1 材料物性

1.2 实验方案与原理

1.2.1 实验原理

ASAAC模块安装在夹具中，夹具内置液冷流道，与液冷源接通后，液冷源泵出的冷却液通过夹具带走发热电阻产生的热量。可通过调节液冷源的供液温度和流量，间接控制模块的边界条件。模块内部使用发热电阻模拟工作芯片，发热电阻连接直流电源后，通过调节电压和电流，使发热电阻的发热量处于规划状态。发热电阻表面贴装了热电偶，通过数据采集仪得到实时温度值。

1.2.2 实验方案

1）在模块中的规定位置安装发热电阻和热电偶（图3）；

图3 安装热电偶及发热电阻

2）将模块安装在测试夹具中；

3）通液，保持流量为1 L/min、供液温度为10 ℃；

4）依次调整发热电阻供电的电压和电流值，并等待其温度稳定后，记录数据；

5）保持流量不变，改变供液温度为分别30 ℃、50 ℃，重复步骤的4）；

6）实验结束，停止加热，停止供液。

1.3 仿真计算及实验结果分析

完成网格划分及求解计算后，通过后处理得到三种工况下（供液温度10 ℃、30 ℃、50 ℃）仿真计算结果。对仿真结果数据进行整理分析可知，在三种工况下，器件平均温度随热耗变化的趋势相同。因此，选择工况2（供液温度30 ℃）展开分析。单个器件在热耗分别是4 W、9 W、16 W、25 W、36 W、49 W时，1号位和2号位的器件热耗相同，但存在一定的温差：0.1 ℃、0.2 ℃、0.4 ℃、0.6 ℃、1.2 ℃、1.3 ℃。

将实验测试结果进行汇总整理得到表2。分别将三种工况下的实验测试值与仿真结果进行对比（如图4），分析发现，仿真值与实测值在三种工况下的变化趋势一致。其中工况1中，两者一致性最高，误差最大为2 ℃，最小为0.4 ℃；工况2中，误差随发热功率的增大而逐渐减小，最大为5.1 ℃，最小为0.4 ℃；工况3中，仿真值与实测值最大误差为4.5 ℃，最小为0.5 ℃。虽然工况2和工况3的误差比工况1略高，但在工程应用中，该值处于误差允许范围。实验结果证明，在对ASAAC模块内器件的热仿真分析过程中，涉及到的模型建立、网格划分、边界条件及热参数设置等是合理正确的。

表2 温度测试数据（铝合金ASAAC模块）

图4 实验值-仿真值对比（铝合金ASAAC模块）

2 ASAAC模块（均温板）热响应分析研究

2.1 实验研究

将内含均温板的ASAAC模块，安装进液冷夹具中，采用1.2节中的实验方法，对工况1（供液温度10 ℃）、工况2（供液温度30 ℃）与工况3（供液温度50 ℃）下的发热器件进行温度测试，把测试结果进行汇总整理得到表3。

表3 温度测试数据（均温板ASAAC模块）

2.2 仿真模拟与分析

由于均温板内部传热机制复杂，导热系数是动态的，而工程中为了便于应用，一般采用等效导热系数。因此，文中以实验测试结果为依据，探究均温板等效导热系数。先在工况2中对模块进行多轮仿真迭代，得到本次实验所用均温板的等效导热系数约为1 000 W/（m·K）。再通过工况1（供液温度10 ℃）和工况3（供液温度50 ℃）对该等效导热系数进行热仿真研究及验证。

图5所示为工况2中的器件温度分布云图，将实验值与仿真值进行对比分析，对比曲线如图22（b）所示。分析可知，仿真值与实测值得变化趋势一致，误差值随发热功率的增大而逐渐减小，最大为5 ℃，最小为0 ℃。

图5 仿真结果

对工况1及工况3进行仿真计算，将计算结果与实验结果进行对比（如图6（a）、（c），分析可知，在工况1中，实验值与仿真值的误差最大为2 ℃，最小为0.4 ℃；工况3中，仿真值与实测值最大误差为3.5 ℃，最小为 0.4 ℃，误差值均在允许范围。因此，在热仿真分析中将均温板等效导热系数设为1 000 W/（m*K）是合理准确的。

图6 实验值-仿真值对比（均温板ASAAC模块）

2.3 铝合金模块与均温板模块对比

将铝合金ASAAC模块与均温板ASAAC模块测试值进行对比，图7所示为器件平均温度对比曲线，分析该图可知，采用了均温板的模块，其内部器件平均温度均低于普通铝合金模块内器件平均温度。工况1中平均温度降低最大值为14 ℃，工况2中平均温度降低最大值为14.8 ℃，工况3中平均温度降低最大值为9.4 ℃。这说明，将关键传热路径上的材料由铝合金更换为均温板后，模块内发热器件的散热情况得到显著改善。