高熱流密度器件水冷散熱器結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)研究

崔卓，諸凱，王雅博，魏杰（天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300110）

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研究開發(fā)

高熱流密度器件水冷散熱器結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)研究

崔卓，諸凱，王雅博，魏杰
（天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300110）

摘要：與平行流水冷散熱相比，現(xiàn)階段對噴射流水冷散熱的研究報(bào)道較少。為了研究噴射流結(jié)構(gòu)的散熱效果，本文設(shè)計(jì)了兩種噴射流結(jié)構(gòu)的水冷散熱器，搭建了以去離子水為冷卻介質(zhì)的液冷散熱器實(shí)驗(yàn)臺，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的熱流密度及冷卻水流量在不同條件下觀察芯片溫度及散熱器底板溫度的變化，得到了不同熱流密度下芯片溫度、散熱器底板溫度及熱阻隨冷卻水流量的變化規(guī)律。散熱器內(nèi)部針翅結(jié)構(gòu)和冷卻水流動方式的改變可使芯片溫度降低 5～8℃，散熱器底板平均溫度也相應(yīng)降低 4℃左右，且底板溫度梯度較小。同時，熱阻的變化隨流量增大逐漸變緩，散熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)使熱阻減小了7%～8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的散熱器能有效加強(qiáng)邊角區(qū)域流體的擾動，提升散熱器整體的換熱效率，表明噴射流水冷散熱是一種高效的散熱方式。

關(guān)鍵詞：傳熱；傳質(zhì)；對流；針柱；水冷散熱器

第一作者：崔卓（1990—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：王雅博，講師，研究方向?yàn)閺?qiáng)化傳熱傳質(zhì)。E-mail wang_yabo@tju.edu.c。

近年來，電子系統(tǒng)性能的不斷提高使其功率密度呈不斷上升的趨勢，隨之而來的散熱需求也越來越高。同時，系統(tǒng)正朝著小型化的方向發(fā)展，這也必將導(dǎo)致散熱器體積的不斷減小。更高的散熱需求和更小的空間體積給散熱器的研究提出了新的要求，如何通過對其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)強(qiáng)化其內(nèi)部傳熱，提高單位體積傳熱效率已成為近年來研究的熱點(diǎn)。在過去二十年中，水冷散熱已逐漸取代風(fēng)冷散熱被用于高熱流電子系統(tǒng)的冷卻，而在水冷散熱器的研究中，針柱結(jié)構(gòu)也被證明是一種更為高效的冷卻結(jié)構(gòu)。與矩形翅片及波紋翅片等結(jié)構(gòu)連續(xù)的翅片相比，針柱結(jié)構(gòu)能在較小的空間體積下獲得更大的傳熱面積，且在增加流體擾動的同時，提高了內(nèi)部流體的最大流速，從而增大了散熱器的對流換熱系數(shù)。SAHITI等[1-2]通過實(shí)驗(yàn)的方法證明了在同樣的泵輸出功率和換熱體積下，針柱結(jié)構(gòu)是最為高效的換熱結(jié)構(gòu)。正是由于針翅結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn)，針柱散熱器散熱效果的影響參數(shù)正在得到越來越多的研究。首先受到廣泛關(guān)注的參數(shù)是針柱結(jié)構(gòu)的相對高度（H/d，其中H為針柱的高度，d為針柱的直徑），CHYU等[3]研究了不同的針柱高度和水力半徑比值（h/Dh-pf）對散熱器效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)h/Dh-pf=2時，換熱器效率最佳。BRIGHAM和VANFOSSEN等[4-5]采取實(shí)驗(yàn)的方法對不同相對高度的針柱陣列進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，長針柱（H/d>4）在傳熱效率方面與短針柱相比有一定的優(yōu)勢。PANDIT等[6]同樣通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了不同的針柱與通道高度比率對散熱效果的影響，研究結(jié)論為當(dāng)高度比率為50%時，針柱結(jié)構(gòu)的散熱效率最佳。針柱的幾何形狀及其排布方式是影響散熱器散熱效果的另一重要參數(shù)，DESHMUKH等[7]通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法研究的橢圓形針柱和圓形針柱之間的傳熱性能差異，結(jié)果證明在相同的空隙率和縱橫比下，橢圓形針柱有著更小的傳熱熱阻和更大的傳熱系數(shù)。丁杰等[8]通過數(shù)值計(jì)算的方法對5種不同形狀的針柱結(jié)構(gòu)（帶小突起棗核狀、光滑棗核狀、菱形、圓形和方形）的散熱性能進(jìn)行了對比定性研究，其主要結(jié)論為在不同的計(jì)算模型下，帶小突起棗核狀的針柱結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出最優(yōu)的散熱性能，且菱形的散熱性能始終優(yōu)于圓形和方形針柱。CORMIER等[9]認(rèn)為沿針柱高度方向形狀變化的針柱有利于強(qiáng)化其傳熱，在此基礎(chǔ)上提出了一種金字塔形的變截面翅片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金字塔形針柱能有效增大傳熱面積并減小流動阻力，這為變截面針柱結(jié)構(gòu)的研究提供了新的思路。TULLIUS 等[10]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)計(jì)算的方法對針柱高度形狀等多個參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明矩形針柱換熱效果優(yōu)于其他形狀的針柱散熱結(jié)構(gòu)，但其壓力損失也隨著雷諾數(shù)的上升而明顯增大。牛永紅等[11]同樣通過數(shù)值模擬和內(nèi)部可視化的方法對3種散熱器（翅片式、翅柱式和交叉柱式）內(nèi)部排布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明翅柱式結(jié)構(gòu)散熱器冷卻水底面的溫度分布比較均勻且底面最高溫度最低，散熱效果由于其他兩種結(jié)構(gòu)的散熱器。

在以上針柱結(jié)構(gòu)水冷散熱器的研究中，存在著兩點(diǎn)問題:第一，雖然上述研究中水冷散熱器流道形式各有不同，但其進(jìn)出口位置基本全部位于針柱陣列的兩端，冷卻流體在流動過程方向唯一，沿確定方向橫掠針柱陣列，而對于內(nèi)部流體呈多方向流動的水冷散熱器研究還比較少；其二，以上對針柱結(jié)構(gòu)的研究通常不考慮邊壁對流體流動及散熱的影響，而在水冷散熱器的實(shí)際運(yùn)用中，流體流經(jīng)水冷散熱器的有限空間內(nèi)，必然會受到邊壁的影響而改變其流動狀態(tài)，從而對其散熱效果產(chǎn)生影響。本文基于這兩個問題，提出了兩種散熱器結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)的方法對其散熱性能進(jìn)行了研究。從溫度分布、對流換熱系數(shù)及總熱阻3個方面比較了兩種散熱器的散熱性能，為后續(xù)的研究提出了可供參考的依據(jù)。

1 散熱器結(jié)構(gòu)介紹

圖1 A型散熱器上蓋示意圖

圖2 A型散熱器底板示意圖

如圖1～圖4所示，散熱器A和B為本文所提出的兩種散熱器結(jié)構(gòu)，冷卻水流向如圖中箭頭所示。兩種散熱器的冷卻水入口均位于針柱陣列的中心，冷卻水進(jìn)入散熱器后，由中心向四周發(fā)散流動，最終經(jīng)頂部出口流出散熱器。同時，A與B兩種散熱器也存在著兩點(diǎn)結(jié)構(gòu)上的差異。其一，B型散熱器在內(nèi)腔邊緣區(qū)域加設(shè)了導(dǎo)流片，增加了此區(qū)域的流體擾動，使邊緣區(qū)域的換熱效率得到了提升；其二，考慮到散熱器A冷卻水出口在一側(cè)邊角區(qū)域會造成流動的不平均現(xiàn)象，散熱器B的上蓋采取了雙層結(jié)構(gòu)的形式，在散熱器4個邊角區(qū)域全部設(shè)置了冷卻水出口，流出散熱器的冷卻水先進(jìn)入上蓋內(nèi)的空腔，最終流出散熱器。兩種散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 散熱器上蓋示意圖

圖4 B型散熱器底板示意圖

表1 散熱器主要參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)臺介紹

圖5為實(shí)驗(yàn)臺的示意圖。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)臺主要由兩部分構(gòu)成，即散熱系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。

2.1 散熱系統(tǒng)

散熱系統(tǒng)包括穩(wěn)流穩(wěn)壓直流電源、硅加熱片、工字形加熱源、散熱器、直流水泵、冷卻水箱、冷凝器。將工字形加熱源頂部區(qū)域作為模擬CPU芯片，面積為3cm2，在工字形加熱源外部設(shè)有隔熱罩，用于減小工字形加熱源的傳熱損失，模擬CPU芯片與散熱器底板之間涂有含銀的導(dǎo)熱膏，以此來降低散熱器與芯片間的接觸熱阻。用恒溫水域來調(diào)節(jié)進(jìn)口水溫度，冷卻水經(jīng)直流水泵被輸送至散熱器，而后流過冷凝器后回到恒溫水域，進(jìn)入下一循環(huán)。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺示意圖

2.2 測量系統(tǒng)

圖6 A型散熱器底板溫度測點(diǎn)及熱電偶布置圖

實(shí)驗(yàn)中主要涉及到對流量和溫度的測量，流量的測量采用DN6mm的渦輪式流量計(jì)，量程范圍為0.1～0.6m3/h，測量精度為 0.5%。溫度的測量采用0.1mm的熱電偶，測量精度為0.5%。將熱電偶埋入工字形加熱源及散熱器底板內(nèi)，用于得到實(shí)驗(yàn)所需溫度。如圖5所示，在工字形加熱源的中心銅柱內(nèi)埋有熱點(diǎn)偶T2和T3，以兩點(diǎn)間的溫差來計(jì)算實(shí)驗(yàn)所用熱流密度；T1埋入模擬CPU芯片的中心來得到芯片工作溫度的變化規(guī)律。對于B型散熱器，由于其冷卻水流動較為平均，可認(rèn)為4個邊角區(qū)域溫度相同，所以只在其中一個邊角處埋入熱電偶就可反映4個邊角的溫度；而對于散熱器A，在4個邊角區(qū)域分別埋置熱電偶來得到底板整體的溫度趨勢。散熱器底板測溫點(diǎn)布置如圖6、圖7所示。同時為了保證每個測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在每個測溫點(diǎn)埋入3個熱點(diǎn)偶，將3個熱點(diǎn)偶并聯(lián)后取3個熱電偶測量值的算數(shù)平均值作為每次測量的測溫點(diǎn)數(shù)值，溫度以T表示。以測溫點(diǎn)1為例，（其中1、4、5、6為測溫點(diǎn)和熱電偶對應(yīng)的編號，j為測量的次數(shù)）。將多次測量后每個測溫點(diǎn)數(shù)值的算數(shù)平均值作為此測溫點(diǎn)的最終值，用于計(jì)算散熱器底板的平均溫度，實(shí)驗(yàn)中取6次測量量的平均值作為測溫點(diǎn)最終值。

圖7 B型散熱器底板溫度測點(diǎn)及熱電偶布置圖

2.3 誤差分析

實(shí)驗(yàn)測量中由于測量誤差會使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離其真值，這會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響，對其進(jìn)行分析并控制誤差在可接受范圍內(nèi)十分重要。實(shí)驗(yàn)誤差主要有系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩部分組成，其中隨機(jī)誤差ΔA為經(jīng)過多次測量所得到的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)中取6組溫度數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，系統(tǒng)誤差ΔB由測量儀器的精度決定，總誤差為，式中S為標(biāo)準(zhǔn)差。本實(shí)驗(yàn)中測量量x為溫度、流量、加熱量，實(shí)驗(yàn)儀器精度及測量值不確定度如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)值不確定度

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 兩種散熱器的溫度分布

圖8和圖9芯片工作溫度對比圖及底板平均溫度對比圖。如圖所示，在不同熱流密度下，兩種散熱器的溫度變化趨勢基本一致。首先通過對芯片工作溫度的分析我們可以看出，B型散熱器可以使芯片工作溫度顯著降低，其與A型散熱器冷卻的芯片平均溫差在10W/cm2、20W/cm2及30W/cm2三個熱流密度下分別為5.5℃、6.6℃、7.8℃，隨著熱流密度的增大，B型散熱器在散熱性能方面的優(yōu)勢不斷增大。同時，在同一熱流密度下，隨著冷卻水流量的增大，芯片工作溫度降低幅度逐漸減小，且兩種散熱器的芯片工作溫差也不斷降低。這說明不斷增大冷卻水的流量并不能有效提升散熱器的散熱效率。其次，通過對散熱器底板平均溫度的研究可以看出，在保持了較低芯片工作溫度的同時，也使散熱器的整體溫度降低。兩者差距在4℃左右。

圖8 芯片工作溫度對比圖

圖9 散熱器底板平均溫度對比圖

3.2 散熱器底板溫度不均勻性分析

散熱器底板平均溫度能從整體上反映散熱器的散熱效率，但本文在邊角處加設(shè)倒流片的目的并不僅僅是提高散熱器的散熱效率，也為了使散熱器底板溫度分布更加均勻，減小由于非底板中心區(qū)域換熱效率差導(dǎo)致的溫度梯度過大現(xiàn)象。對于兩種散熱器而言，其底板上各點(diǎn)溫度隨其遠(yuǎn)離散熱器底板中心而逐漸變大，所以邊角區(qū)域的溫度應(yīng)為散熱器底板各區(qū)域溫度的最高值，同時溫度梯度也最大。實(shí)驗(yàn)以邊角區(qū)域溫度計(jì)算散熱器溫度梯度可以間接反映散熱器底板的均溫性。在實(shí)驗(yàn)最大流量下各測點(diǎn)平衡溫度如表3所示。

由表3可見，隨著熱流密度的不斷上升，兩種散熱器的溫度不均勻性都有增大趨勢。兩種散熱器熱器溫度比A型散熱器低0.5～1℃。在4個邊角區(qū)域中，A型散熱器冷卻水出口區(qū)域溫度最高，其對角區(qū)域溫度最低，這是由于冷卻水射流沖擊針柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱后溫度上升，而在不斷向出口匯聚的過程中熱流體與不斷補(bǔ)充的冷流體混合使局部冷卻水溫度升高，冷卻能力變差。出口區(qū)域冷熱流體匯聚現(xiàn)象最明顯，且由于其流體流動路徑最長，熱流體溫度較高，所以此區(qū)域換熱效果最差，在不同熱流密度下，出口區(qū)域的溫度比中心區(qū)域高出 6%～10%，而B型散熱器由于出口的均勻布置和邊角區(qū)域換熱面積的增加，其出口區(qū)域溫度僅比中心溫度高出 1%～3%。由此可見，B型散熱器的溫度梯度較小，結(jié)構(gòu)改進(jìn)使底板溫度的不均勻性得到了改善。

表3 散熱器底板測溫點(diǎn)平衡溫度

3.3 散熱器總熱阻分析

在CPU芯片的運(yùn)行過程中，其表面熱量并非平均分布，而是存在著熱量高度集中的熱點(diǎn)區(qū)域，在熱點(diǎn)區(qū)域，其熱流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于芯片的平均熱流密度。芯片熱點(diǎn)的存在也使散熱器底板存在溫度分布不均的現(xiàn)象，在熱設(shè)計(jì)這一區(qū)域是考慮的重點(diǎn)。根據(jù)這一考慮，散熱器總熱阻（K/W）的計(jì)算式見式(1)。

式中，φ為熱負(fù)荷產(chǎn)生的熱量，W；Th為散熱器底板的最高溫度，℃；Tm為冷卻水進(jìn)出口平均溫度℃，實(shí)驗(yàn)中采用溫度測點(diǎn)中的最高值。

圖10為在不同熱流密度下，散熱器總熱阻隨流量變化的曲線。如圖10所示，散熱器總熱阻與熱流密度的變化成正比的關(guān)系，與流量的變化成反比的關(guān)系，流量的變化對總熱阻的影響更為明顯。B型散熱器的熱阻始終低于 A型散熱器，兩者差距在7%～8%之間。這是由于散熱器總熱阻由散熱器自身導(dǎo)熱熱阻和其與冷卻水對流換熱熱阻兩部分組成，其中對流換熱熱阻是總熱阻的主要部分，導(dǎo)流片的增加提高了散熱器有效換熱面積和對流換熱系數(shù)，使對流換熱熱阻明顯減小，總熱阻也隨之減小。

圖10 散熱器總熱阻變化曲線圖

4 結(jié) 論

（1）B型散熱器的散熱效果優(yōu)于A型散熱器，能使芯片穩(wěn)定工作在更低的溫度，且這一優(yōu)勢隨著熱流密度的上升而增大，隨流量的增大不斷減小。導(dǎo)流片使邊緣區(qū)域的散熱得到了很好的加強(qiáng)，同時也使散熱器底板平均溫度有所降低。

（2）兩種散熱器底板溫度的不均勻性隨熱流密度的上升而不斷增大，兩種散熱器的底板中心溫度最低，這是由于冷卻水入口位于中心處，此處冷卻水溫度最低且流速最快，局部換熱系數(shù)最高。A型散熱器出口區(qū)域底板溫度比中心區(qū)域高出 6%～10%，而在同樣工況下B型散熱器僅高出1%～3%，導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了邊角區(qū)域的換熱，使散熱器底板溫度不均勻性有所改善

（3）B型散熱器的總熱阻小于A型散熱器，兩者差距保持在7%～8%之間。總熱阻中，對流換熱熱阻起主導(dǎo)作用，針柱結(jié)構(gòu)的變化會使有效換熱面積增加，在增強(qiáng)了對流換熱的同時也減小了散熱器的總熱阻。因此，對于不同熱流密度器件的冷卻，B型散熱器的散熱性能均優(yōu)于A型散熱器。

參 考 文 獻(xiàn)

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Experimental study on water-cooled radiator structure performance of high heat flux device

CUI Zhuo，ZHU Kai，WANG Yabo，WEI Jie
（School of Mechanical Engineering，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300110，China）

Abstract:Compared with parallel flow cooling，the report of impinging jet cooling has rarely be seen. To study the heat dissipation performance of impinging jet cooling，two radiator were designed in this study. Test bench was built. The cooling medium was deionized water. The temperature variations of CPU chip and radiator bottom plate in different condition were measured by changing the heat flux and cooling water flow. The temperature change of CPU chip and radiator bottom plate was analyzed. By monitoring the inner fin structure anf flow direction of cooling water， the average temperature of CPU could drop 5 to 8℃ and 4℃ for the radiator bottom plate. In addition，the variation range of heat resistance was diminished gradually with the increase of cooling flow. Heat resistance of radiator reduced by 7%—8% due to improvement of radiator structure. The results showed that improvement of radiator structure effectively strengths the disturbance of the corner area and increases heat transfer efficiency of radiator. The present study indicates that impinging jet cooling is a high efficiency radiating way.

Key words:heat transfer；mass transfer；convection；pin fin；water-cooled heat sink

中圖分類號：TK 172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）05-1338-06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.05.012

收稿日期：2015-11-10；修改稿日期：2015-12-15。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51376137）及天津市自然科學(xué)基金（13JCZDJC27300）項(xiàng)目。