流道內(nèi)填充不銹鋼珠液冷散熱器的傳熱性能

唐亞男， 高學(xué)農(nóng)， 顏家桃

(華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

0 引言

風(fēng)冷散熱和液冷散熱是目前CPU散熱的主要方式.其中，液冷散熱技術(shù)更是以其良好的散熱性能成為各種臺(tái)式計(jì)算機(jī)及大型工作站散熱的最主要方法[1].目前，關(guān)于液體冷卻方法的研究主要集中于冷卻液的替換及外加風(fēng)扇的改進(jìn).如Roy和Avanic通過在冷板吸熱端安裝旋轉(zhuǎn)式葉輪強(qiáng)化傳熱，使冷板內(nèi)的總熱阻比傳統(tǒng)液冷冷板降低了50%以上[2].

利用多孔介質(zhì)強(qiáng)化冷卻，成為近幾十年來研究比較廣泛的一種強(qiáng)化換熱方式[3-6].多孔介質(zhì)具有極強(qiáng)的“彌散作用”和“肋化作用”，能夠促使流經(jīng)其中的流體進(jìn)行強(qiáng)烈的橫向摻混，因而能夠起到顯著的傳熱強(qiáng)化作用.目前，研究者主要以板式換熱器間堆積流體顆粒床和燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象.Jiang[7-9]等人對(duì)流體在燒結(jié)多孔槽道內(nèi)的對(duì)流傳熱性能進(jìn)行了研究，相比非燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)，燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)顆粒間的接觸熱阻大大減少或消失，這使得燒結(jié)多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱能力大大增強(qiáng).王補(bǔ)宣[10-12]等人對(duì)平行平板中填充不同直徑的玻璃圓珠顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，平行平板間填充小顆?？梢允箓鳠岬玫斤@著的強(qiáng)化，但在大雷諾數(shù)下，一定的板間距相對(duì)應(yīng)著多孔介質(zhì)的最佳填充層數(shù).

本文通過實(shí)驗(yàn)的方法，在蛇形流道散熱器中填充不同直徑的不銹鋼珠，對(duì)不同發(fā)熱功率、不同冷卻液流量下散熱器的換熱及流動(dòng)阻力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了在孔隙率不變的條件下，不銹鋼珠直徑對(duì)散熱器換熱及流阻性能的影響規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)熱板、散熱器、壓力表、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀等組成，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)通過改變高精度電源的輸出電壓來調(diào)節(jié)發(fā)熱板的發(fā)熱功率，可模擬計(jì)算機(jī)CPU的各種運(yùn)行工況，發(fā)熱板的發(fā)熱功率可由高精度電源功率表直接讀出.水箱內(nèi)的冷卻液為去離子水，經(jīng)水泵輸送至填充有不銹鋼珠的蛇形流道散熱器中，在散熱器流道內(nèi)與壁面換熱后帶走發(fā)熱板產(chǎn)生的熱量，之后去離子水通過風(fēng)扇強(qiáng)制降溫后，再回到水箱中，如此往復(fù)循環(huán)，以保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行.實(shí)驗(yàn)中，冷卻液的流量通過帶有閥門的微型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)來調(diào)節(jié)和測(cè)量，散熱器冷卻液的進(jìn)出口壓力由精密膜盒壓力表進(jìn)行測(cè)量.散熱器的壁面、進(jìn)出口均布有2～3根K型熱電偶，通過連接Agilent34970A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的壁面及進(jìn)出口溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并利用計(jì)算機(jī)記錄和處理相關(guān)數(shù)據(jù).

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖1.水箱，2.水泵，3.玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，4.發(fā)熱板，5.蛇形流道散熱器，6、7.壓力表，8、9、10.熱電偶，11.風(fēng)扇，12.數(shù)據(jù)采集儀，13.計(jì)算機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

文獻(xiàn)[6]研究表明，對(duì)于大顆粒多孔介質(zhì)的雷諾數(shù)參照以下公式：

，M=ρu(1)

根據(jù)對(duì)流換熱系數(shù)的定義，有

(2)

散熱器通道內(nèi)的流動(dòng)阻力系數(shù)可由式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Re——雷諾數(shù)；dp——顆粒直徑，m；ρ——流體密度，kg/m3；μ——流體動(dòng)力粘度，Pa·s；u——散熱器通道內(nèi)流體平均流速，m/s；εm——孔隙率；h——表面對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Q——換熱量，W；A——發(fā)熱芯片的面積，m2；TW——散熱器表面的平均溫度，℃；Tf——散熱器通道內(nèi)流體的平均溫度，℃；fe——流動(dòng)阻力系數(shù)；de——散熱器通道截面當(dāng)量直徑，m；ΔP——壓力降，Pa；L——流體流程，m.

2.1 傳熱性能分析

圖2～圖4分別示出了在發(fā)熱功率為30 W、40 W、50 W時(shí)，散熱器冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)h與流量的關(guān)系.為比較分析不銹鋼珠直徑、冷卻液流量與對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系，各工況條件下散熱器蛇型通道內(nèi)填充不銹鋼珠的孔隙率均設(shè)定為0.75.

從圖中看出，隨著Re數(shù)的增加，冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)略微增大.而通過對(duì)圖2～圖4進(jìn)行比較也不難發(fā)現(xiàn)發(fā)熱功率即熱負(fù)荷對(duì)冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)的影響不明顯.但是，填充不同直徑不銹鋼珠后的散熱器冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)發(fā)生了明顯的變化.比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，填充Φ3 mm不銹鋼珠的散熱器表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性，冷卻液對(duì)流換熱系數(shù)h均高于填充Φ2 mm、Φ4 mm不銹鋼珠的散熱器，其原因在于，相同填充率下，隨著顆粒直徑的增大，換熱面積不斷減小，對(duì)流換熱系數(shù)也隨之減小.而隨著顆粒直徑的增加，增加了流體的湍流強(qiáng)度，減薄了熱邊界層的厚度，從而提高了對(duì)流換熱系數(shù).在兩者作用下，填充Φ3 mm顆粒表現(xiàn)出了最好的散熱效果.

填充不銹鋼珠后，散熱器通道的結(jié)構(gòu)以及流體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了明顯的變化，冷卻液在蛇型流道中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了劇烈的擾動(dòng)，呈現(xiàn)出了湍流流動(dòng)，因而其對(duì)流換熱系數(shù)h也就明顯高于未填充不銹鋼珠的散熱器.在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，各填充工況下的對(duì)流換熱系數(shù)隨Re增加而增大，但Re的變化對(duì)換熱系數(shù)的影響較小.

圖2 發(fā)熱功率為30 W時(shí)散熱器的h-Re曲線 圖3 發(fā)熱功率為40 W時(shí)散熱器的h-Re曲線

2.2 阻力性能分析

在散熱器蛇形通道內(nèi)填充不銹鋼珠后，散熱器換熱效果有了明顯的提高，但其所帶來的流動(dòng)阻力也隨之增大，如圖5～圖7所示.在實(shí)驗(yàn)范圍和條件內(nèi)，填充不同直徑不銹鋼珠后，散熱器的阻力系數(shù)均大于未填充時(shí)，約為填充前的1.5～2倍.散熱器填充Φ4 mm不銹鋼珠后的阻力系數(shù)最小，隨著不銹鋼珠直徑的減小，流體流過蛇型通道的阻力有所增加.不銹鋼珠直徑越小，阻力系數(shù)越大，其原因在于隨著不銹鋼珠直徑的減小，流體與固體接觸的面積增大，流體流程增加，流動(dòng)阻力系數(shù)較大.

圖4 發(fā)熱功率為50 W時(shí)散熱器的h-Re曲線 圖5 發(fā)熱功率為30 W時(shí)散熱器的f-Re曲線

圖6 發(fā)熱功率為40 W時(shí)散熱器的f-Re曲線 圖7 發(fā)熱功率為50 W時(shí)散熱器的f-Re曲線

3 結(jié)論

(1)蛇形流道散熱器填充不銹鋼珠后，其散熱效果明顯優(yōu)于未填充時(shí)，其對(duì)流換熱系數(shù)約為未填充時(shí)的2.4～3.4倍.

(2)散熱器對(duì)流換熱系數(shù)隨著冷卻液流量的增加而增大，隨發(fā)熱功率的變化不明顯，但在填充不同直徑不銹鋼珠后傳熱過程得到不同程度的增強(qiáng).填充Φ3 mm不銹鋼珠的傳熱強(qiáng)化效果最好，其次是Φ2 mm和Φ4 mm的不銹鋼珠.

(3)填充不銹鋼珠后，散熱器蛇形流道的阻力系數(shù)較空通道時(shí)均有所增加，約為填充前流動(dòng)阻力的3～4倍.冷卻液在蛇型通道中的流動(dòng)呈現(xiàn)出了不同的流程狀態(tài)，熱負(fù)荷一定時(shí)，流動(dòng)阻力系數(shù)f隨著Re的增加而減小.并且，填充不同直徑的不銹鋼珠后的流動(dòng)阻力系數(shù)也不同.填充Φ2 mm不銹鋼珠蛇型通道的流動(dòng)阻力系數(shù)最大，填充Φ3 mm、Φ4 mm不銹鋼珠的流動(dòng)阻力系數(shù)相差不大.

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