電子設(shè)備液冷散熱的冷卻液熱學(xué)性能分析

電子設(shè)備液冷散熱的冷卻液熱學(xué)性能分析董進(jìn)喜;楊明明;趙亮【摘要】3PAO-20～70℃65#冷卻液在PAOPAO冷散熱器中使用這兩種不同冷卻液介質(zhì)后,通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量電子設(shè)備內(nèi)各芯片的平衡溫度,結(jié)果表明,65PAO10℃.【期刊名稱】《電子科技》【年(卷),期】2013(026)004【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P106-109)【關(guān)鍵詞】冷卻液;熱物理參數(shù);熱傳導(dǎo)系數(shù);熱學(xué)性能【作者】董進(jìn)喜;楊明明;趙亮【作者單位】4710119;中4710119;中航工業(yè)西安航空4710119【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN305.94隨著電子設(shè)備性能、功耗的不斷提高。為保證電子設(shè)備的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，就需要更好的散熱設(shè)備解決系統(tǒng)內(nèi)部的溫升問(wèn)題。當(dāng)電子設(shè)備的功耗達(dá)到一定程度時(shí)，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式已經(jīng)無(wú)法更好地解決大功耗電子設(shè)備內(nèi)元器件的溫升。因此，需要采用液冷方式的散熱器解決電子設(shè)備高能耗的問(wèn)題。液體介質(zhì)比空氣具有更好的導(dǎo)熱性能，采用冷卻液作為工作介質(zhì)的散熱器，比傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式具有更優(yōu)異的散熱性能［1－2］。冷卻液作為液冷散熱器的工作介質(zhì)，其熱學(xué)性能參數(shù)將直接影響電子設(shè)備液冷散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱效率［3］冷卻液的合理選擇是電子設(shè)備散熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、電子等領(lǐng)域。2080fluids，PAO)，該冷卻液由于電子設(shè)備的散熱裝置對(duì)冷卻液的選擇使用要求，主要從安全性、流體特性和熱學(xué)性3和使用環(huán)境的考慮;對(duì)于冷卻液的流體特性主要是針對(duì)冷卻液的黏度、比重等方面;對(duì)于冷卻液的熱學(xué)性能，將直接影響到電子設(shè)備散熱效果，文中主要通過(guò)對(duì)乙二醇類(lèi)(如65#)冷卻液和PAO這兩種冷卻液的熱學(xué)性能進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)性能比較分析，選擇在熱學(xué)性能方面較優(yōu)的冷卻液。熱學(xué)性能研究冷卻液熱物理參數(shù)PAO與65#冷卻液的熱物理參數(shù)會(huì)隨溫度變化而變化，并根據(jù)具體數(shù)值擬合了冷卻液的參數(shù)性能變化曲線，對(duì)兩種冷卻液隨溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析［4］。如表1所示。并根據(jù)具體數(shù)值擬合了冷卻液的參數(shù)性能變化曲線，對(duì)兩種冷卻液隨溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。表1PAO與65#冷卻液的物理參數(shù)?圖4PAO和65#冷卻液動(dòng)力黏度隨溫度變化曲線通過(guò)PAO與65#冷卻液的熱物理性能參數(shù)對(duì)比可知:(1)PAO的各項(xiàng)物理參數(shù)隨溫度的變化波動(dòng)都比65#冷卻液小，即PAO的物理特性較65#冷卻液更為穩(wěn)定，并且合成烴基類(lèi)冷卻液PAO具有不導(dǎo)電性。(2)65#冷卻液的比熱容較PAO高20%以上，且65#冷卻液的比熱容會(huì)隨溫度升高而上升。由此可知，相同功耗下65#冷卻液的溫升會(huì)較PAO低。(3)在動(dòng)力黏度方面，65#冷卻液和PAO都隨溫度升高而下降，在0℃以上兩者動(dòng)力黏度近乎相同，但由于65#冷卻液的密度較PAO大，65#冷卻液的運(yùn)動(dòng)黏度較PAO小。冷卻液的熱傳導(dǎo)系數(shù)在熱性能方面，可利用冷卻液熱傳導(dǎo)參數(shù)關(guān)聯(lián)式對(duì)冷卻液進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。對(duì)于冷卻液強(qiáng)迫對(duì)流中的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，可以采用以下熱傳導(dǎo)參數(shù)關(guān)聯(lián)式其中，Nu=hD/k;Re=ρVD/μ;Pr=μCp/k;C待定系數(shù)。層流時(shí)，m=0.5，n≈0.4;紊流時(shí)，m=0.8，n≈0.4，則冷卻液的熱傳導(dǎo)系數(shù)為由式(2)可知，在相同的冷卻系統(tǒng)中，不同冷卻液的熱傳導(dǎo)性能比較，可以通過(guò)冷卻液熱傳導(dǎo)性能相關(guān)參數(shù)密度ρ、熱導(dǎo)率k、恒壓比熱容Cp和動(dòng)力黏度μ來(lái)衡量。根據(jù)冷卻液的熱傳導(dǎo)系數(shù)計(jì)算公式，定義熱傳導(dǎo)參數(shù)(HTP)作為流體熱傳導(dǎo)性能參數(shù)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)其中，a=m;b=1－n;c=n;d=m－n。則有，層流時(shí)HTPL=ρ0.5k0.6C0.4P/μ0.1;紊流時(shí)HTPT=ρ0.8k0.6C0.4P/μ0.4。由圖5可知，65#(HTP)在層流和紊流下較PAO大45%以上，特別是在60℃以上，是PAO熱傳導(dǎo)參數(shù)的兩倍以上。隨著溫度的升高，65#冷卻液的熱傳導(dǎo)優(yōu)勢(shì)更加明顯。冷卻液的溫升比較圖5PAO和65#冷卻液不同流態(tài)下的熱傳導(dǎo)性能比較對(duì)電子設(shè)備的散熱分析工作中，當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡時(shí)，冷卻液的溫升表明該冷卻液的吸熱能力，也在一定程度上反映了電子設(shè)備的表面溫度。冷卻液的出口溫度可由冷卻液進(jìn)口溫度與其在管路中所有溫升之和來(lái)確定。兩個(gè)相同的電子設(shè)備系統(tǒng)里，使用不同的冷卻液來(lái)進(jìn)行散熱，可以只考慮電子元器件的功耗和表面溫度對(duì)冷卻液的影響，忽略液固交界面和固體內(nèi)部的溫度損耗。電子元器件通過(guò)以下兩種方式來(lái)影響冷卻液的溫度:電子元件產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)引起冷卻液溫升電子元件通過(guò)冷卻液對(duì)流換熱形式來(lái)引起溫升相同能耗和流量時(shí)，兩種冷卻液的綜合溫升比值計(jì)算公式為對(duì)于非常小流量時(shí)，式(7)可近似為對(duì)于非常大流量時(shí)，式(8)近似為6PAO651.8PAO65#冷卻液的溫升比值不斷升高，特別在60℃以上，PAO的溫升是65#冷卻液的2.6倍以上。圖6PAO和65#冷卻液的綜合溫升比較2電子設(shè)備的散熱比較在從熱力學(xué)理論方面對(duì)兩種冷卻液進(jìn)行了比較分析的基礎(chǔ)上，將兩種冷卻液分別作為同一電子設(shè)備系統(tǒng)的液冷散熱工作介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)各芯片的穩(wěn)定溫度來(lái)進(jìn)行兩種冷卻液的散熱工作性能比較，具體的測(cè)試系統(tǒng)原理如圖7所示，待冷卻電子設(shè)備的功耗為100W，冷卻液流量大小為7.02g/s，經(jīng)過(guò)待冷卻電子設(shè)備后將熱量帶走，平衡電子設(shè)備內(nèi)各芯片的溫度。制冷器主要是保證冷卻液回到油箱時(shí)的溫度為25℃，這樣循環(huán)工作中，每次冷卻液進(jìn)入電子設(shè)備的溫度都恒定。通過(guò)溫度傳感器測(cè)量電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)各芯片的溫度值，由數(shù)據(jù)采集器采集各路溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)各芯片的溫度值曲線趨向水平時(shí)，可認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)芯片溫度達(dá)到平衡穩(wěn)定。進(jìn)而通過(guò)比較各芯片的穩(wěn)定溫度來(lái)對(duì)比分析冷卻液的散熱性能。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得，分別以PAO和65#冷卻液作為散熱裝置內(nèi)的工作介質(zhì)時(shí)，待冷卻電子設(shè)備的平衡溫度值如表2所示。表2待冷卻電子設(shè)備內(nèi)各芯片的溫度?通過(guò)比較待冷卻內(nèi)各芯片的溫度值可知，在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的散熱裝置中采用65#冷卻液作為散熱工作介質(zhì)比采用PAO的散熱效果更好，能使待冷卻設(shè)備內(nèi)的芯片溫度降低10℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也體現(xiàn)出冷卻液的選擇直接影響到電子設(shè)備散熱裝置的散熱性能。3結(jié)束語(yǔ)通過(guò)對(duì)冷卻液在不同溫度下的熱物理參數(shù)比較分析，得到冷卻液熱物理參數(shù)隨溫度的變化趨勢(shì)，可以看出PAO的物理性能參數(shù)比65#冷卻液穩(wěn)定，并且合成烴基類(lèi)冷卻液具有不導(dǎo)電的優(yōu)勢(shì)。在冷卻性能滿足電子設(shè)備工作需求的條件下，這一類(lèi)冷卻液更安全。通過(guò)對(duì)不同流態(tài)下的熱傳導(dǎo)系數(shù)和相同功耗下的冷卻液溫升這兩方面的理論分析，可以看出，由于65#冷卻液在比熱容和熱導(dǎo)率方面較PAO更具優(yōu)勢(shì)，PAO析在電子設(shè)備系統(tǒng)使用不同冷卻液后各芯片的平衡溫度，使用65#冷卻液作為工作介質(zhì)芯片溫度更低。綜上分析，65#冷卻液比PAO具有更好的散熱性能，但PAO由于其物理參數(shù)穩(wěn)定和不導(dǎo)電性，在電子設(shè)備的散熱工作中具有更好的安全性。參考文獻(xiàn)［1］GHAJARAJ.ComparisonofhydraulicandthermalperformanceofPAOandcoolanol25Rliqui