Page 51 - 电力与能源2024年第一期

王德辉，等：应用液态金属的电力电子器件散热器设计 45

壁与冷却水进行对流换热，被冷却后进入电磁泵。 不易测量，所以在仿真计算中不予考虑。
换热器中的水入口温度为 50 ℃，流量为 2.385× （2）假 设 从 电 磁 泵 流 出 的 液 态 金 属 流 速

10 m·s 。用于驱动液态金属流动的电磁泵被 均匀。
－4
3
－1
设定在液态金属管中不再出现在仿真分析中。结 （3）将冷板外表面、换热器外表面视为绝热

构 2 中的换热器结构复杂且极精细，难以在整体仿 表面。
中获得理想的结果。因此，本研究将换热器分离出 （4）为提高计算精度，对系统结构进行了少

来进行单独分析，其条件和结果与系统整体相关 许简化，以增加网格质量。
联，以获取系统整体性能参数。结构 1 和结构 2 中 模型的总网格数分别为 32 万（结构 1）、43 万
的发热元件作为热源，上下各 2 个，每个发热量 Q （结构 2）、415 万（结构 2 换热器）。具体的网格剖
=1 kW，与冷板的热接触面为一个直径 75 mm 的 分结果如图 2 所示。
圆形表面。

散热系统中各材料的热物性参数如表 1 所
示，散热系统模型中的相关参数如表 2 所示。
表 1 散热系统各材料的热物性参数

密度/ 比热容/ 导热系 黏度/
参数 材料 （kg· （J·kg -1 数/（W · （kg·
-3
m ） ·K ） mK ） ms ）
-1
-1
-1
换热器流道 铝合金 2 719 871 202.4 —
冷板和液态 铜 8 978 381 387.6 —
金属管道
液态金
液态金属 6 500 400 30 0.001 950
属
水 水 998.2 4 182 0.6 0.001 003
表 2 散热系统模型的相关参数
参数 结构 1 结构 2
冷板尺寸/mm 3 230×130×45 150×100×16
流道直径/mm 14 10
冷板材料 铝/铜 铜
冷板换热面积/mm 2 0.019 0.012
-1
3
体积流量/（m ·s ） 2.385×10 -4 1.220×10 -4
q w =0.238
质量流量/（kg·s ） q lm =0.796
-1
q lm =0.547
由换热器计算结
冷却工质温度/℃ 50
果决定
换热器尺寸/mm 3 — 210×90×30
换热器管道尺寸/ 图 2 散热系统网格剖分结果
3 — 150×4×0.5
mm
换热器换热面积/ 在仿真分析中，还需设定散热系统的边界条
mm 2 — 0.08
件，具体如表 3 所示。
冷却水体积流量/
— 2.385×10 -4
（m ·s ）
3
-1
冷却水温度/℃ — 50 2 散热系统计算结果分析
在仿真计算中，为了使计算更加方便且在计 2.1 结构 1 计算结果分析
算结果准确的前提下，对仿真作出以下假设。 在对结构 1 进行仿真分析时，入口温度和冷
（1）发热元件为热流密度均匀的面积热源。 却工质流速相同，比较不同的冷却工质（水和液态

由于发热元件与液态金属冷板的接触热阻较小且 金属）和不同的冷板材料（铜和铝）的散热性能，两