基于合成雙射流的空調(diào)散熱裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

熱設(shè)計(jì) 2023-02-26

來源：電子器件封裝及熱管理?？?/span>

作者：康贏、羅振兵、彭文強(qiáng)、鄧雄

摘要：針對發(fā)熱元件的熱流密度越來越高所導(dǎo)致的散熱問題成為制約微小型電子器件發(fā)展的瓶頸，將輕型零質(zhì)量合成雙射流技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)外機(jī)控制器以探索其熱管理能力，通過數(shù)值模擬對翅片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，比較了原始翅片、改進(jìn)翅片、合成雙射流與原始翅片組合散熱的散熱效果，結(jié)果表明：翅片高度和厚度的增加均能強(qiáng)化換熱；與原始翅片相比，改進(jìn)翅片、實(shí)例1(加合成雙射流)、實(shí)例4(加合成雙射流)散熱效率分別提高10.88%，20.70%和26.58%，說明組合散熱效果更好；在組合散熱及合成雙射流作用下翅片間出現(xiàn)渦對，增強(qiáng)了空氣摻混，對流換熱增強(qiáng)，且射流湍流度越高，散熱性能越強(qiáng)．最后對原始翅片和組合散熱開展了紅外實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了合成雙射流散熱的高效性和可行性．

關(guān)鍵詞：合成雙射流；組合散熱；翅片；強(qiáng)化換熱；電子元器件

在全球氣候變暖的大背景下，人們工作生活對空調(diào)的依賴性越來越高，尤其是高性能計(jì)算中心等發(fā)熱量高的場所，須要空調(diào)全年制冷運(yùn)行以保證服務(wù)器高性能運(yùn)行所需的溫度環(huán)境．對于某家用空調(diào)外機(jī)控制器，當(dāng)持續(xù)高溫運(yùn)行時(shí)，它的主要發(fā)熱元件會產(chǎn)生較多熱量導(dǎo)致熱失效，因此須要尋求一種高效的散熱技術(shù)對其進(jìn)行散熱．

散熱技術(shù)根據(jù)帶走熱量的方式，可分為被動散熱和主動散熱，被動散熱中翅片散熱應(yīng)用最多．目前關(guān)于翅片散熱的研究主要是翅片結(jié)構(gòu)和形狀，結(jié)構(gòu)參數(shù)中翅片高度影響最大，翅片厚度最小，不同翅片形狀散熱效果不同．

主動散熱包括強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷、合成射流(synthetic jet，SJ)等多種方式，散熱性能優(yōu)于被動散熱．合成射流是非定常湍流，不少研究者對合成射流的強(qiáng)化換熱性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)沖擊合成射流最大冷卻效果可達(dá)理論值的64%；當(dāng)雷諾數(shù)相同時(shí)，其傳熱效率是連續(xù)定常射流的3倍．

與合成射流相比，文獻(xiàn)18提出的合成雙射流(dual synthetic jet，DSJ)技術(shù)散熱能力更強(qiáng)，由兩個(gè)出口、一個(gè)調(diào)流滑塊、兩個(gè)腔體共用一個(gè)振動膜組成，該技術(shù)射流能力強(qiáng)，速度大，具有矢量功能，有利于發(fā)光二極管(LED)燈等有限空間內(nèi)的電子元件冷卻．將合成射流與散熱器組合進(jìn)行散熱，芯片溫度可下降15℃，散熱效果強(qiáng)于二者單獨(dú)散熱時(shí)的情況，且射流吹在翅片上的散熱效果更好．

本研究以空調(diào)外機(jī)控制器為模型，通過數(shù)值模擬分析了翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對翅片散熱器的影響，重點(diǎn)研究了合成雙射流與翅片組合散熱時(shí)的散熱性能，并開展了紅外實(shí)驗(yàn)，充分證明了合成雙射流散熱的高效性和可行性，有利于實(shí)現(xiàn)日益增加的電子元器件散熱需求，符合其微型化發(fā)展的趨勢．

01 數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型與求解設(shè)置

如圖1所示，本研究的物理模型包括電路板、四個(gè)發(fā)熱元件(整流橋、快恢復(fù)二極整流管、智能功率模塊、超快二極管)及翅片散熱器．工作時(shí)，發(fā)熱元件產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞給翅片，翅片通過熱對流將熱量傳遞給空氣．

圖1 物理模型

計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)傳熱模擬，因此可采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖1模型劃分出的網(wǎng)格數(shù)量較多，為了提高效率，在保證計(jì)算精度的情況下，只保留翅片散熱器及其與發(fā)熱元件的接觸面．翅片與流體交界處附近劃分了三層邊界層網(wǎng)格，進(jìn)行加密處理，第一層邊界層網(wǎng)格高度為 0.15 mm，對應(yīng)的無量綱壁面距離 y⁺=7.57．網(wǎng)格數(shù)約為357萬，邊界條件見圖 2．

圖2 邊界條件

1.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

保持其他條件參數(shù)不變，改變網(wǎng)格尺寸，得到三套不同粗細(xì)的網(wǎng)格．表1顯示了芯片最高溫度隨網(wǎng)格數(shù)目的變化，可以看到在不同網(wǎng)格數(shù)目下芯片最高溫度變化不大．為保證計(jì)算精度，選擇細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算．仿真結(jié)果如圖3(b)所示，最高溫度為 104.55℃，仿真與實(shí)驗(yàn)最高溫度誤差僅為 0.03%(實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在 3.4節(jié)給出)，驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性．

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

02 翅片散熱

2.1 原始翅片模型

模型簡化前后仿真結(jié)果如圖 3所示，將發(fā)熱元件簡化為面熱源后對模型溫度影響很小，最高溫度僅相差 1.09%，說明本模型采用面熱源進(jìn)行計(jì)算是合理的．

圖3 模型簡化前后仿真結(jié)果

從圖3(b)中可以看出：發(fā)熱元件中智能功率模塊具有最高溫度(104.55℃)，整流橋模塊具有最低溫度(76.64℃)；四個(gè)發(fā)熱模塊的溫度高于其他部位，并沿翅片高度方向溫度逐漸降低；離發(fā)熱元件越近溫度越高，遠(yuǎn)離發(fā)熱元件的溫度越來越低；由于翅片散熱器較高側(cè)具有三個(gè)發(fā)熱元件，因此溫度要高于翅片散熱器較低側(cè)．

2.2 翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱器散熱性能的影響

由 2.1節(jié)知芯片最高溫度為 104.55℃，超過了芯片穩(wěn)定持續(xù)工作的最高溫度 85℃．為了降低發(fā)熱元件溫度，提高散熱器散熱性能，在原始模型的基礎(chǔ)上對翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析．

選取翅片高度和厚度兩個(gè)變量，考慮到安裝空間的大小，分別增加 5，10，15 mm的高度；翅片厚度分別為 0.7，0.8，0.9 mm，具體參數(shù)見表2(表中：δ為翅片厚度；為Y方向翅片高度，翅片高度取值按照圖 3中 9根肋片從左到右排序(1～9))．最高溫度(tmax)隨增加的翅片高度和厚度的變化如圖 4和圖 5所示．

表2 翅片幾何參數(shù) ( mm )

圖4 最高溫度隨翅片高度的變化

從圖4可以看出：翅片高度增加，溫度逐漸降低，且降低幅度逐漸變小，這是因?yàn)楦叨仍黾樱瑢α鲄^(qū)域增大，翅片散熱性能增強(qiáng)，隨著高度繼續(xù)增加，內(nèi)部熱阻增大，翅片間的空氣流速減小，對流換熱系數(shù)減小，散熱增強(qiáng)的趨勢減?。?/span>

圖5 最高溫度隨翅片厚度的變化

從圖5可以看出：翅片厚度對翅片散熱器的影響不大，翅片厚度增加，溫度逐漸降低，但降低幅度不大．這是因?yàn)槌崞穸鹊脑黾訉?dǎo)致熱傳導(dǎo)增強(qiáng)，增強(qiáng)了散熱效果，但同時(shí)翅片厚度增加會影響翅片間的對流換熱效果，二者相互制約，使得溫度降低幅度較小．

結(jié)合圖4和圖5可知實(shí)例4(翅片高度增加 15 mm、翅片厚度1 mm)散熱器散熱效果最好，此時(shí)翅片散熱器最高結(jié)溫為 93.17℃，與實(shí)例1相比降低了 11.38℃，散熱效率提高10.88%，降低了發(fā)熱模塊的最高溫度，散熱性能得到提高，但依然高于芯片穩(wěn)定持續(xù)工作的最高溫度 85℃，須要尋求其他散熱方式以達(dá)到降溫效果目標(biāo)．

03 合成雙射流與翅片組合散熱

3.1 組合散熱模型與求解設(shè)置

本節(jié)在2.1節(jié)的基礎(chǔ)上，增加合成雙射流激勵器，將合成雙射流與翅片組合(實(shí)例1(加合成雙射流)、實(shí)例4(加合成雙射流))對發(fā)熱元件進(jìn)行散熱，激勵器與翅片之間的距離保持3 cm不變，射流出口1與翅片頂端對齊．為節(jié)約空間，激勵器其余部分采用朝上布置方式．考慮到翅片寬為 66 mm，即須要進(jìn)行散熱的區(qū)域相對較大，且智能功率模塊所在流道有三個(gè)發(fā)熱元件，溫度高，故激勵器采用一長一短兩個(gè)射流出口，即對智能功率模塊所在流道采用強(qiáng)射流，對超快二極管所在流道采用弱射流．合成雙射流激勵器及具體布置方式如圖 6所示．合成雙射流激勵器尺寸為58 mm×56 mm×9 mm，射流出口1和射流出口2尺寸分別為40 mm×2 mm×7 mm和20 mm×2 mm×4 mm．

圖6 翅片與合成雙射流激勵器的布置方式

網(wǎng)格模型只保留激勵器出口、翅片散熱器及其與發(fā)熱元件的接觸面，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分．射流出口及翅片交界面進(jìn)行加密處理，外流場計(jì)算區(qū)域?yàn)?55 mm×100 mm×100 mm(長×寬×高)．組合散熱邊界條件見圖 7．

圖7 組合散熱邊界條件

假設(shè)流場氣體不可壓，計(jì)算模型采用激勵器出口流動模型．計(jì)算為三維瞬態(tài)計(jì)算，選用SST k-ω湍流模型并選擇能量方程，合成雙射流出口定義為速度入口條件，采用用戶自定義的速度函數(shù)：

（1）

其余設(shè)置與1.1節(jié)相同．迭代計(jì)算、連續(xù)性方程、能量方程的殘差值均設(shè)為1×10^-6．合成雙射流流場所用頻率為500 Hz，時(shí)間步長為 2.5×10^-5 s，為保證數(shù)值模擬能達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定，至少模擬50個(gè)振動周期．

3.2 流場

圖8為實(shí)例1與合成雙射流組合散熱流場分布，可以看到合成雙射流在翅片間的流動狀態(tài)，圖中：x，y，z為流向、垂直流向和垂直于xy平面的方向．垂直流向情形下，翅片之間均可以看到旋渦，但翅片高、低側(cè)旋渦強(qiáng)度不同，這是采用不同射流強(qiáng)度的緣故．翅片限制了合成雙射流的發(fā)展，使得旋渦呈扁圓狀，如圖8(a)所示．圖8(b)為流向位置Y=0.066 m處，此時(shí)射流出口2處于吹程，射流出口1處于吸程，通過交替吸入和排出流體，兩出口分別形成兩股射流，在向下游遷移過程中二者相互作用，同時(shí)卷吸周圍流體，最終融合成一股新的合成射流．射流最大速度位于出口處，從射流出口到遠(yuǎn)離出口，能量逐漸耗散，速度不斷減?。捎诩钇鞑捎靡婚L一短兩個(gè)出口，兩出口的速度大小并不對等，因此長出口的峰值速度要小于短出口的峰值速度．

圖8 組合散熱流場分布

3.3 溫度場

圖9為實(shí)例1與合成雙射流組合散熱溫度分布，最高溫度為82.91℃．圖9(a)中沿翅片高度方向，溫度逐漸降低，與 2.1節(jié)所述現(xiàn)象一致．由于三維熱傳導(dǎo)和熱對流作用，因此翅片之間觀察到熱邊界層現(xiàn)象，不利于散熱．

合成雙射流的存在擾亂了熱邊界層．垂直流向下，旋渦涉及的區(qū)域熱邊界層被破壞，溫度迅速降低，散熱增強(qiáng)，射流湍流度越高，散熱效果越明顯；沿流向情形下，射流不斷向下游發(fā)展，射流到達(dá)的區(qū)域熱邊界層變薄，低溫區(qū)域逐漸擴(kuò)散．這是因?yàn)楹铣呻p射流具有一定的速度，當(dāng)合成雙射流激勵器工作時(shí)，吹程流體向外發(fā)展，帶走了翅片表面大部分熱量，空氣摻混加強(qiáng)，熱邊界層被破壞，加快了熱對流，溫度降低更快且更加均勻；同時(shí)，吸程腔體吸入周圍空氣，流動增強(qiáng)．兩出口交替吸入、排出流體的過程中，沿途翅片的部分熱量被帶走，達(dá)到降溫的效果，如圖9(b)所示．

圖9 組合散熱溫度分布

圖10為翅片頂部溫度分布趨勢圖，結(jié)果表明：在實(shí)例1、實(shí)例4、實(shí)例1(加合成雙射流)、實(shí)例4(加合成雙射流)四種工況下，分別有對應(yīng)的翅片高、低側(cè)溫度分布趨勢相同．在翅片較高側(cè)均觀察到三個(gè)溫度峰值，沿x方向分別位于整流橋、快恢復(fù)二極整流管、智能功率模塊；在翅片較低側(cè)觀察到一個(gè)溫度峰值，位于超快二極管．與實(shí)例1相比，實(shí)例4、實(shí)例1(加合成雙射流)、實(shí)例 4(加合成雙射流)散熱性能分別提高 10.88%，20.70%和 26.58%，均能達(dá)到更好的散熱效果，其中實(shí)例1(加合成雙射流)和實(shí)例4(加合成雙射流)最高溫度分別為 82.91℃和 76.76℃，均低于 85℃，散熱更為高效，滿足目標(biāo)溫度要求．翅片較高側(cè)的溫降大于翅片較低側(cè)，這是因?yàn)樯淞鞒隹陂L短不同，導(dǎo)致射流強(qiáng)度不同，翅片較高側(cè)射流強(qiáng)度大于翅片較低側(cè)，這與圖8中觀察到的現(xiàn)象一致．

圖10 翅片頂部溫度分布趨勢

3.4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

對實(shí)例1(加合成雙射流)進(jìn)行紅外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)所用模型與仿真模型相同．實(shí)驗(yàn)裝置主要由加熱裝置和紅外熱像儀實(shí)驗(yàn)裝置組成．加熱裝置包括四個(gè)加熱片、三個(gè)直流電源、一個(gè)翅片散熱器．加熱片黏附在翅片上，接通直流電源，加熱片發(fā)熱并通過熱傳導(dǎo)將熱量傳給翅片，以此來模擬芯片發(fā)熱過程．實(shí)驗(yàn)中直流電源提供給各加熱片的加熱功率分別為 21.64，9.58，9.58，5.36 W，環(huán)境溫度為 20℃．給加熱片加熱，當(dāng)其溫度穩(wěn)定時(shí)，啟動合成雙射流激勵器對其進(jìn)行散熱．紅外熱像儀測量誤差為±0.01℃，表面發(fā)射率設(shè)定為0.6，用來顯示各加熱片的溫度信息，紅外熱像儀顯示溫度與熱電偶測量溫度一致．

對比圖11(a)和(b)知加合成雙射流激勵器后溫度下降顯著，智能功率模塊溫降最大，達(dá)21.70℃．這是因?yàn)樯淞鲊姵龊?，出口附近會形成渦對，在向下游發(fā)展的過程中卷吸環(huán)境流體，此時(shí)射流湍流程度高，破壞熱邊界層的能力強(qiáng)，散熱效果更好；隨著射流進(jìn)一步向下游發(fā)展，射流漸漸耗散，散熱能力減弱，因此溫降從大到小依次為智能功率模塊、快恢復(fù)二極整流管、整流橋．對智能功率模塊所在流道采用強(qiáng)射流，超快二極管所在流道采用弱射流，翅片較高側(cè)整體換熱能力強(qiáng)于較低側(cè)，但因翅片較低側(cè)只有一個(gè)發(fā)熱元件，散熱面積更大，加上射流耗散程度的影響，使得超快二極管散熱能力介于快恢復(fù)二極整流管與整流橋之間．

圖11 各加熱片溫度分布

表3為實(shí)例1和實(shí)例1(加合成雙射流)兩種工況下各模塊仿真與實(shí)驗(yàn)的平均溫度對比，結(jié)果表明兩種情況下仿真與實(shí)驗(yàn)均存在誤差．實(shí)例1仿真與實(shí)驗(yàn)最大溫差為4.74℃，誤差為5.36%，位于快恢復(fù)二極整流管；最小溫差為1.49℃，誤差為1.95%，位于整流橋．實(shí)例1(加合成雙射流)最大溫差為 9.85℃，誤差為 18.88%，位于整流橋；最小溫差為0.26℃，誤差為 0.42%，位于超快二極管．

可以發(fā)現(xiàn)：除了組合散熱時(shí)整流橋誤差較大外，其余模塊平均溫度均在誤差范圍內(nèi)．這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)受外界環(huán)境等因素影響，當(dāng)射流發(fā)展到較遠(yuǎn)區(qū)域時(shí)，與實(shí)際射流相比，仿真時(shí)該射流強(qiáng)度更大，影響范圍更大，散熱效果更好．

對比發(fā)現(xiàn)仿真工況下加激勵器前后的平均溫降大于實(shí)驗(yàn)工況下加激勵器前后的平均溫降，說明合成雙射流實(shí)際散熱效果低于仿真時(shí)的散熱效果，但實(shí)驗(yàn)時(shí)平均溫降最大達(dá)19.72℃，最小達(dá)15.92℃，充分驗(yàn)證了合成雙射流散熱的高效性，說明利用合成雙射流激勵器進(jìn)行散熱是可行的．

表3 仿真與實(shí)驗(yàn)平均溫度對比 (℃ )

04 結(jié)論

本研究采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對翅片散熱、合成雙射流激勵器與翅片組合散熱進(jìn)行了分析．仿真結(jié)果表明：隨著翅片高度、厚度增加，發(fā)熱元件溫度逐漸降低；實(shí)例4、實(shí)例1(加合成雙射流)、實(shí)例4(加合成雙射流)最高溫度分別為 93.17，82.91和76.76℃，與實(shí)例1相比，溫度分別降低了 11.38，21.64和 27.79℃，散熱效率分別提高10.88%，20.70%和26.58%，極大地增強(qiáng)了散熱效果．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)例1(加合成雙射流)最高溫度為 82.82℃，與仿真最高溫度接近，各模塊溫降從大到小依次為智能功率模塊、快恢復(fù)二極整流管、超快二極管、整流橋，這與射流強(qiáng)弱和散熱面積大小有關(guān)；實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)例1及實(shí)例1(加合成雙射流)平均溫降最大達(dá)19.72℃，最小達(dá)15.92℃，充分說明了合成雙射流散熱的高效性和可行性．

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