某液冷冷板換熱特性實(shí)驗(yàn)研究

賁少愚，魏 濤，黃曉剛

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某液冷冷板換熱特性實(shí)驗(yàn)研究

賁少愚，魏 濤，黃曉剛

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

針對(duì)電子設(shè)備冷卻用液冷冷板設(shè)計(jì)，選用了3種新型的鋸齒型翅片作為冷板內(nèi)芯。為了驗(yàn)證新型冷板的換熱特性，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)電加熱法，分別對(duì)內(nèi)芯為矩形、梯形和側(cè)向梯形鋸齒型翅片的3種冷板以蒸餾水為介質(zhì)的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別獲得了在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)的換熱無(wú)量綱準(zhǔn)則式，并對(duì)液冷冷板的換熱特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在小流量區(qū)域，3種冷板換熱系數(shù)差別不大；隨著流量增大，側(cè)向梯形鋸齒型翅片對(duì)冷板通道內(nèi)的擾動(dòng)更強(qiáng)，換熱性能更好。本實(shí)驗(yàn)為液冷冷板設(shè)計(jì)提供了參考。

電子設(shè)備；冷卻；液冷冷板；換熱；實(shí)驗(yàn)

引 言

隨著芯片熱流密度和集成度的不斷提高，傳統(tǒng)的空氣冷卻技術(shù)已經(jīng)不能滿足電子設(shè)備冷卻要求，液冷技術(shù)以其高效、緊湊、噪聲小等特點(diǎn)而得到了廣泛的運(yùn)用[1]。液冷技術(shù)可分為直接液體冷卻和間接液體冷卻。間接液冷主要通過(guò)冷板形式實(shí)現(xiàn)，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式傳遞給冷板，再由液體通過(guò)對(duì)流換熱將熱量帶走。

針對(duì)冷板的換熱特性研究，文獻(xiàn)[2]對(duì)冷板進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，提出了等效厚度概念。文獻(xiàn)[3]中分別對(duì)冷板在熱流均勻分布、熱流局部分布、不同空氣流量的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的微矩形槽道冷板對(duì)流換熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并整理了層流和湍流的換熱經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[5]對(duì)不同結(jié)構(gòu)的微通道冷板進(jìn)行了換熱特性實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的液冷冷板，選用了3種新型的鋸齒型翅片作為冷板內(nèi)芯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試了平均換熱系數(shù)，并擬合了經(jīng)驗(yàn)公式，驗(yàn)證了該冷板結(jié)構(gòu)具有較好的換熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 冷板基本結(jié)構(gòu)

本文實(shí)驗(yàn)所用的液冷冷板基本結(jié)構(gòu)由上下基板、翅片、法蘭組成，冷板翅片外形如圖1所示。冷板內(nèi)芯為單層鋁翅片型材，翅片有3種形式，分別為矩形鋸齒型、梯形鋸齒型和側(cè)向梯形鋸齒型，具體尺寸分別見(jiàn)圖2～圖4所示。

圖1 液冷冷板翅片外形圖

圖2 矩形鋸齒型翅片截面圖

圖3 梯形鋸齒型翅片截面圖

圖4 側(cè)向梯形鋸齒型翅片截面圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與原理

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藴y(cè)量3種不同結(jié)構(gòu)液冷冷板的換熱特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合曲線比較3種冷板的換熱系數(shù)，為電子設(shè)備強(qiáng)迫液體冷卻系統(tǒng)中所用的冷板或空氣-液體換熱器液側(cè)翅片結(jié)構(gòu)選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

液冷冷板換熱實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示，主要由供液系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)件、測(cè)量系統(tǒng)組成，包括：液冷源、流量計(jì)、連接封頭、實(shí)驗(yàn)段(冷板、加熱件、膠木板、熱電偶等)、調(diào)壓器、功率表、加熱電源、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等。其工作原理是：液體在液冷源中由泵增壓后經(jīng)過(guò)控制閥、水箱、過(guò)濾器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)管路，其中一部分液體經(jīng)旁通閥、連接封頭后進(jìn)入冷板，與冷板進(jìn)行熱交換，再經(jīng)過(guò)連接封頭、流量計(jì)后返回液冷源中換熱器，往復(fù)循環(huán)。

圖5 冷板換熱實(shí)驗(yàn)原理圖

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

為了研究液冷冷板的換熱特性，采用穩(wěn)態(tài)電加熱法[6]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)加熱量、流量、進(jìn)出口水溫和冷板表面溫度等穩(wěn)定參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1.3.1 加熱量測(cè)量

如圖6所示，冷板上下表面的加熱元件為貼有電阻的紫銅板。在電流不大的前提下為了保證加熱功率，實(shí)驗(yàn)中把電阻用導(dǎo)熱絕緣膠均布在紫銅板表面，并采用串聯(lián)的辦法增加電阻。

圖6 冷板加熱示意圖

發(fā)熱元件的加熱量由調(diào)壓器控制，并由功率表測(cè)量加熱量。加熱量的大小主要根據(jù)冷板發(fā)熱面的溫度來(lái)決定，為了提高所測(cè)量的換熱系數(shù)的精度，一般要求冷板表面平均溫度與冷卻水進(jìn)口溫差在8 ℃以上。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)觀察冷板表面平均溫度與冷卻水進(jìn)口溫差確定加熱量，并維持穩(wěn)定，其大小由功率表測(cè)得。在考察換熱實(shí)驗(yàn)是否達(dá)到平衡時(shí)，把冷卻水進(jìn)、出口的溫差與流量和熱容相乘得到冷卻水的吸熱量，比較加熱量和吸熱量是否一致，以此決定實(shí)驗(yàn)是否達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

1.3.2 流量測(cè)量

本實(shí)驗(yàn)中冷卻水流量由渦輪轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。所使用流量計(jì)的測(cè)量精度為±1%，量程為0～600 kg/h。系統(tǒng)所需流量由流量計(jì)前閥門控制，通過(guò)觀察流量計(jì)顯示值調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，直到獲得系統(tǒng)所需要的流量。

1.3.3 溫度測(cè)量

為了獲得冷板的換熱系數(shù)，需要測(cè)量冷板進(jìn)、出口冷卻水的溫度和冷板發(fā)熱表面的溫度。本文實(shí)驗(yàn)中采用精度為4‰的銅-康銅熱電偶來(lái)測(cè)量溫度，其具體安裝位置和安裝方式為：1)在進(jìn)口和出口連接封頭內(nèi)安置熱電偶測(cè)量冷卻水進(jìn)、出口溫度。2)冷板發(fā)熱面上熱電偶的安裝是在冷板表面用直徑1 mm鉆頭打出小盲孔，在紫銅板和膠木板的相應(yīng)位置鉆出略大通孔，然后將焊好的熱電偶穿過(guò)膠木板和紫銅板埋入冷板的盲孔中，并用導(dǎo)熱膠進(jìn)行固定；其安裝位置為：在冷板上下發(fā)熱表面共布置18個(gè)熱電偶，上表面14個(gè)，下表面4個(gè)，上表面在對(duì)稱中心線上非等距布置8個(gè)，對(duì)稱中心線左右各3個(gè)共6個(gè)，下表面在對(duì)稱中心線上非等距布置4個(gè)，用來(lái)與上表面相應(yīng)位置作對(duì)比。為了保證測(cè)量的冷卻水出口溫度為混合平均溫度，實(shí)驗(yàn)中專門加工了出口連接封頭，并對(duì)其進(jìn)行了保溫處理。實(shí)驗(yàn)中各熱電偶所測(cè)溫度由計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)直接顯示并記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)對(duì)3種鋸齒型通道的液冷冷板(介質(zhì)為蒸餾水)換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)的換熱無(wú)量綱準(zhǔn)則式，并對(duì)3種通道表面的換熱特性進(jìn)行了比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

液冷冷板的平均換熱系數(shù)計(jì)算式為：

(1)

由于Q水的大小直接影響到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了電加熱量Q電與水吸熱量的大小，只有當(dāng)(Q電-Q水)/Q電×100%≤5%時(shí)，才可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)達(dá)到了熱平衡，這時(shí)所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)方為有效數(shù)據(jù)。

同樣，把液冷冷板的換熱特性整理成努謝爾特?cái)?shù)和流動(dòng)雷諾數(shù)之間的關(guān)系。努謝爾特?cái)?shù)的定義式為：

(2)

式中：l為翅片當(dāng)量直徑，m；λ為冷卻導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在液冷冷板換熱特性的研究中，主要測(cè)量了矩形鋸齒型、梯形鋸齒型、側(cè)向梯形鋸齒型3種通道冷板表面的溫度分布。根據(jù)上面介紹的數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)計(jì)算獲得了3種通道冷板的努謝爾特?cái)?shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖，如圖7～圖9所示，以及3種通道冷板換熱系數(shù)比較，如圖10所示。

圖7 矩形鋸齒型通道冷板換熱性能

圖8 梯形鋸齒型通道冷板換熱性能

圖9 側(cè)向梯形鋸齒型通道冷板換熱性能

圖10 3種通道冷板換熱系數(shù)比較

將圖7～圖9所示的矩形鋸齒型、梯形鋸齒型、側(cè)向梯形鋸齒型3種通道表面的換熱性能曲線擬合成無(wú)量綱準(zhǔn)則式：

矩形鋸齒型：

Nu=0.221 84·Re0.487 70

(3)

梯形鋸齒型：

Nu=0.103 32·Re0.598 80

(4)

側(cè)向梯形鋸齒型：

Nu=0.246 08·Re0.419 20

(5)

本文所研究的3種鋸齒型冷板的翅片選自現(xiàn)有工程應(yīng)用產(chǎn)品，其當(dāng)量直徑有差別，比較無(wú)量綱準(zhǔn)則式難以說(shuō)明三者之間的優(yōu)劣。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較時(shí)，對(duì)比了相同流量下?lián)Q熱系數(shù)的大小關(guān)系，這也是工程實(shí)際中最關(guān)心的問(wèn)題，圖10描述了3種翅片形式下冷板換熱系數(shù)隨流量的變化關(guān)系。從圖中可以看出，3種冷板的換熱系數(shù)均隨冷卻水流量增大而變大。在小流量區(qū)域(流量小于150 kg/h)，3種鋸齒型翅片的換熱系數(shù)相當(dāng)；當(dāng)流量大于150 kg/h時(shí)，側(cè)向梯形鋸齒型的換熱性能則明顯好于另兩種翅片型式，而梯形鋸齒型翅片與矩形鋸齒型翅片相差不大。在本文的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，側(cè)向梯形鋸齒型表面換熱系數(shù)最大，梯形鋸齒型表面次之，矩形鋸齒型表面最小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在小流量范圍內(nèi)，3種通道內(nèi)的流動(dòng)均處于層流狀態(tài)，其換熱系數(shù)相差不大。隨著流量的增大，由于翅片對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng)，流動(dòng)向湍流過(guò)渡。從3種翅片的截面圖可知側(cè)向梯形鋸齒型對(duì)通道內(nèi)流動(dòng)的擾動(dòng)最強(qiáng)，因此其換熱性能最好。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文選用了3種新型鋸齒型鋁翅片作為液冷冷板內(nèi)芯，并通過(guò)穩(wěn)態(tài)法實(shí)驗(yàn)測(cè)定了3種冷板的換熱特性，得出了以下結(jié)論：

1)3種鋸齒型翅片的液冷冷板在給定雷諾數(shù)范圍內(nèi)具有良好的換熱性能，整理得出相應(yīng)的換熱無(wú)量綱準(zhǔn)則式，為液冷冷板和空液換熱器的翅片選型提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

2)建議擴(kuò)大雷諾數(shù)范圍，優(yōu)化翅片參數(shù)，并以其他液體為工質(zhì)，進(jìn)行液冷冷板換熱特性的深入研究。

3)進(jìn)行液冷冷板工程設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足換熱要求，還應(yīng)結(jié)合阻力特性綜合評(píng)估。

[1] 平麗浩, 錢吉裕, 徐德好. 電子裝備熱控新技術(shù)綜述(下)[J]. 電子機(jī)械工程, 2008, 24(2): 1-9.

[2] 陳文虎. 電子設(shè)備冷卻[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 1992.

[3] 曹業(yè)玲. 矩形通道空芯冷板換熱特性研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2003.

[4] 辛明道, 張培杰, 楊軍. 空氣在微矩形槽道內(nèi)的對(duì)流換熱[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 1995, 16(1): 86-90.

[5] 徐德好. 微通道液冷冷板設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 電子機(jī)械工程, 2006, 22(2): 14-18, 40.

[6] 曹玉璋, 邱續(xù)光. 實(shí)驗(yàn)傳熱學(xué)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1998.

賁少愚(1972-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of a Liquid-cooling Cold Plate

BEN Shao-yu，WEI Tao，HUANG Xiao-gang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to design a liquid-cooling cold plate in electronic devices cooling system, three new kinds of serrated-fin are adopted as the channel of cold plate. To validate the heat transfer characteristics of the new cold plate, the steady electric-heating experimental method is applied to three kinds of serrated-fin cold plates whose cross sections are rectangle, trapezium and side-trapezium respectively to study the heat transfer characteristics of the cold plate with distilled water as cooling medium. Three heat transfer dimensionless equations in the range of certain Reynolds number are presented and the heat transfer characteristics of three different cold plates are compared. Results show that the difference of the three heat transfer coefficients is less at low flow flux. As the flow flux increases, the disturbance is stronger in side-trapezium serrated-fin cold plate, so the heat transfer performance is better. The experiment provides a reference for the design of liquid-cooling cold plate.

electronic device; cooling; liquid-cooling cold plate; heat transfer; experiment

2015-01-22

TK124

A

1008-5300(2015)02-0007-04