Page 52 - 电力与能源2024年第一期

46 王德辉，等：应用液态金属的电力电子器件散热器设计

表 3 散热系统模型参数 寿命都会有一定影响。
热边界 对以上数据进行对比分析，可知在相同的边
边界面 热边界参数
类型
界条件下，使用液态金属作为冷却工质时，热源表
热流密度/（W·m ）：
-2
发热芯片 面积热源
226 468 面的最高温度可以下降 10.7～11.7 ℃，散热性能
-1
流体速度/（m·s ）：1.56
冷却工质入口（冷板） 速度入口 明显改善。使用铜作为冷板材料时，热源表面的
流体温度/℃：50
冷却工质出口（冷板） 压力出口 相对压强/Pa：0 最高温度可以下降 8.2～9.2 ℃，其中以液态金属
厚度/mm：0.5
液态金属管壁（换热器） 壁面 为冷却工质时散热性能改善更为明显。
材料：铜
厚度/mm：1 从图 4（a）可以看出，热源温度与流道温度之
流道（换热器） 壁面
材料：铝
间的温度下降反映了冷板本身的热阻，从流道温
-1
流体速度/（m·s ）：1.56
液态金属入口（换热器） 速度入口
流体温度/℃：59.3 度到冷却工质之间的温度下降反映了冷却工质的
液态金属出口（换热器） 压力出口 相对压强/Pa：0 对流换热热阻。冷却工质相同的两种工况，其对
-1
流体速度/（m·s ）：1.56
水入口（换热器） 速度入口 流换热热阻也相等，从流道温度到冷却工质之间
流体温度/℃：50
水出口（换热器） 压力出口 相对压强/Pa：0 的温度下降也近似相等。从图 4（b）可以看出，冷
两组合共计 4 种工况。达到稳定后，不同情况的 板材料为铝时，使用液态金属作为冷却工质，总热
阻下降了 40%；冷却工质为水时，使用铜作为冷
温度云图如图 3 所示，传热性能和流动性能如表 4
所示。 板材料，总热阻下降了 27.7%。由此可见，在冷却
工质为水时，系统总热阻中水的对流换热热阻所
表 4 中括号中的数值为平均值。利用表 4 中
占比重较大；在冷却工质为液态金属时，系统总热
的计算结果，对 4 种工况的散热性能进行比较，如
阻中冷板自身的热阻所占比重较大。
图 4 所示。
冷却工质为液态金属时，冷板入口温度若取
从图 4 可以看出，在冷板材料使用铝，冷却工
换热器中液态金属的出口温度 52.9 ℃，则系统最
质使用水的情况下，热源表面最高温度为 82.8 ℃，
高温度相应升高 2.9 ℃，但最高温度仍比原系统低
与实际情况接近。由于冷板与发热元件的接触面
7.8～8.8 ℃，将结构和流量相应优化后，散热性能
存在的接触热阻和发热元件自身的热阻，发热元 将改善更多。
件最高温度会比此温度略高，在管壳温度不超过 本系统使用液态金属作为冷却工质对散热结
90 ℃的要求下，这种工作状态是相对危险的，而且 构进行改进，系统最高温度至少可以下降 14.1%。
元器件在此温度下长期工作，对其工作稳定性和 在使用液态金属冷却工质对该系统进行散热结构

表 4 结构 1 传热性能和流动性能
性能 水+铝 液态金属+铝 水+铜 液态金属+铜
73.6~82.8 65.0~71.1 67.7~73.6 59.3~62.9
芯片管壳温度/℃
（79.2） （68.5） （71.4） （61.4）
54.7~69.3 50.1~55.6 56.4~66.7 50.3~55.2
流道温度/℃
（63.0） （53.2） （61.9） （53.3）
传热 50.0~52.4 50.0~53.3 50.0~52.5 50.0~53.3
冷却剂温度/℃
性能 （51.0） （51.6） （51.0） （51.7）
平均对流换热系数/
9 569 65 789 9 657 65 789
-1
2
［W·（m ·K） ］
2
总换热面积/m 0.019 0.019 0.019 0.019
-1
总热阻/（K·W ） 1.41×10 -2 0.845×10 -2 1.02×10 -2 0.485×10 -2
体积流量/（m ·s ） 2.385×10 -4 2.385×10 -4 2.385×10 -4 2.385×10 -4
3
-1
-1
质量流量/（kg·s ） 0.238 1.540 0.238 1.540
流动
工质平均流速/
性能 1.56 1.56 1.56 1.56
-1
（m·s ）
进出口压差/Pa 5 598 34 289 5 600 34 290