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

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所第4研究室，陜西西安 710119)

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］。因此，在許多不同樣式的液冷散熱器涌現(xiàn)的同時(shí)，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。

現(xiàn)在使用較廣的冷卻液主要為乙二醇型冷卻液，經(jīng)過長時(shí)間的使用和改進(jìn)，乙二醇類冷卻液在防凍和緩蝕方面都取得了良好的解決方案，因此，乙二醇類冷卻液被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、電子等領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，美國合成了一種新型的冷卻液——合成烴基類冷卻液(Poly－Alpha－Olefin fluids，PAO)，該冷卻液由于其良好的穩(wěn)定性、安全性和較好的導(dǎo)熱性，被廣泛應(yīng)用多種電子設(shè)備的散熱裝置中。

電子設(shè)備的散熱裝置對冷卻液的選擇使用要求，主要從安全性、流體特性和熱學(xué)性能3方面去考慮。對于冷卻液的安全性方面主要是針對冷卻液的腐蝕性、導(dǎo)電性和使用環(huán)境的考慮;對于冷卻液的流體特性主要是針對冷卻液的黏度、比重等方面;對于冷卻液的熱學(xué)性能，將直接影響到電子設(shè)備散熱效果，文中主要通過對乙二醇類(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。

1 熱學(xué)性能研究

1.1 冷卻液熱物理參數(shù)

PAO與65#冷卻液的熱物理參數(shù)會隨溫度變化而變化，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，對兩種冷卻液隨溫度的變化趨勢進(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，對兩種冷卻液隨溫度的變化趨勢進(jìn)行分析。

表1 PAO與65#冷卻液的物理參數(shù)

圖4 PAO和65#冷卻液動(dòng)力黏度隨溫度變化曲線

通過PAO與65#冷卻液的熱物理性能參數(shù)對比可知:(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。

1.2 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)式對冷卻液進(jìn)行評價(jià)分析。對于冷卻液強(qiáng)迫對流中的熱傳導(dǎo)問題，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#冷卻液的熱傳導(dǎo)參數(shù)(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)勢更加明顯。

1.3 冷卻液的溫升比較

圖5 PAO和65#冷卻液不同流態(tài)下的熱傳導(dǎo)性能比較

對電子設(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進(jìn)行散熱，可以只考慮電子元器件的功耗和表面溫度對冷卻液的影響，忽略液固交界面和固體內(nèi)部的溫度損耗。電子元器件通過以下兩種方式來影響冷卻液的溫度:

(1)電子元件產(chǎn)生熱量傳導(dǎo)引起冷卻液溫升

(2)電子元件通過冷卻液對流換熱形式來引起溫升

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

對于非常小流量時(shí)，式(7)可近似為

對于非常大流量時(shí)，式(8)近似為

由圖6可知，層流狀態(tài)下，在一定功耗熱量的環(huán)境里，PAO的溫升約為65#冷卻液的1.8倍。而紊流狀態(tài)下，PAO的溫升與65#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6 PAO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)通過測定電子設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)各芯片的穩(wěn)定溫度來進(jìn)行兩種冷卻液的散熱工作性能比較，具體的測試系統(tǒng)原理如圖7所示，待冷卻電子設(shè)備的功耗為100 W，冷卻液流量大小為7.02 g/s，經(jīng)過待冷卻電子設(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。通過溫度傳感器測量電子設(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)而通過比較各芯片的穩(wěn)定溫度來對比分析冷卻液的散熱性能。

通過上述實(shí)驗(yàn)方法測得，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

通過對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，可以看出PAO的物理性能參數(shù)比65#冷卻液穩(wěn)定，并且合成烴基類冷卻液具有不導(dǎo)電的優(yōu)勢。在冷卻性能滿足電子設(shè)備工作需求的條件下，這一類冷卻液更安全。通過對不同流態(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，使得它在不同流態(tài)下都比PAO具有更好的熱傳導(dǎo)系數(shù)和較低的溫升。通過比較分析在電子設(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。

［1］GHAJAR A J.Comparison of hydraulic and thermal performance of PAO and coolanol 25R liquid coolants［J］.Colorado Springs，1994(6):897 －905.

［2］周建軍，李慶年，冷觀俊，等.汽車?yán)鋮s液［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［3］陳登科.電子器件冷卻技術(shù)［J］.低溫物理學(xué)報(bào)，2005，27(3):255－261.

［4］汪楠，陳桂珍.工程流體力學(xué)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2007.