碳納米管納米流體對液冷式CPU換熱性能的改善

鄭周，葉曉江，侯志堅，張藝雪，鄭星文，陳飛

1.武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430205；

2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，廣東深圳518055

碳納米管納米流體對液冷式CPU換熱性能的改善

鄭周1，3，葉曉江1，2*，侯志堅3，張藝雪1，鄭星文1，陳飛1，3

1.武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430205；

2.華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074；

3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電學(xué)院，廣東深圳518055

針對液冷式CPU（central processing unit）散熱器散熱效果差的問題，設(shè)計了液冷式CPU散熱器的換熱性能實驗系統(tǒng).該實驗系統(tǒng)使用基液丙二醇-水，Al2O3納米流體和多壁碳納米管（MWCNTs）納米流體進行換熱實驗，采用單變量法對實驗條件進行控制.當加熱功率為18.26 W時，基液丙二醇-水的熱阻值為0.859℃/W，質(zhì)量分數(shù)0.135%的Al2O3納米流體的熱阻值為0.751℃/W，質(zhì)量分數(shù)0.135%的多壁碳納米管納米流體的熱阻值為0.739℃/W，質(zhì)量分數(shù)0.32%的MWCNTs納米流體的熱阻值為0.457℃/W.結(jié)果表明：在基液中添加納米粒子能提高基液的換熱能力，MWCNTs納米流體的換熱效果隨著質(zhì)量分數(shù)的增加而增強.

碳納米管流體；液冷CPU；換熱性能；熱阻

1 引言

液冷式CPU的散熱器最早出現(xiàn)于20世紀80年代末90年代初，采用的是直徑為4 cm的鋁制散熱片.從1993年開始，風(fēng)扇開始普遍使用在液冷式CPU散熱器上.隨著電子技術(shù)發(fā)展，CPU頻率和晶體管集成規(guī)模上升，CPU的溫度也成倍地增長，以往的散熱器己遠不能滿足CPU散熱的需要，于是如何提高液冷式CPU散熱器的換熱性能，成為了研究熱點.

在眾多的冷卻技術(shù)中，液冷技術(shù)非常實用.自Choi［1］等提出納米流體的概念后，已有研究表明，在液體中添加納米粒子，可以提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，增強對流換熱［2-7］.Masuda［8］等發(fā)現(xiàn)體積分數(shù)4.3%的Al2O3-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水提高了30%；李強［9］等分別測量了Al-H2O納米流體和Cu-H2O（dn=20 nm左右）納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，測得體積分數(shù)2%的Al-H2O納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)提高了6.3%；而添加體積分數(shù)為2%的Cu納米粒子后其導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)提高了23%.鄭立國［10］測定認為MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)大.其中，使用阿拉伯膠法制得的體積分數(shù)3%的MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)增加12.7%；混酸法制得的體積分數(shù)3%的MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水的導(dǎo)熱系數(shù)增加了7.1%.而且，MWCNTs-H2O納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨碳納米管濃度的增加而增加，隨流體溫度的升高而增加.

為研究MWCNTs納米流體換熱性能，利用不同質(zhì)量分數(shù)的MWCNTs納米流體進行CPU散熱實驗，比較了不同質(zhì)量分數(shù)的Al2O3、MWCNTs納米流體的散熱效果，分析了不同種類的納米粒子對換熱效果的影響，其結(jié)果為MWCNTs納米流體在傳熱與換熱系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定的實驗基礎(chǔ).

2 實驗部分

2.1 MWCNTs納米流體換熱性能實驗系統(tǒng)

MWCNTs納米流體換熱性能測試實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由水泵、散熱器、模擬CPU（包括保溫層、模擬芯片、云母片、絕熱層、銅板等）、數(shù)據(jù)采集儀、管路、電腦、調(diào)壓器、熱電偶等組成.模擬CPU長度為38.6 mm，寬度為27.1 mm.實驗液體選用丙二醇-水（PG-H2O，體積比3∶1）為基液的MWCNTs流體，質(zhì)量分數(shù)分別為0.135%、0.32%，質(zhì)量分數(shù)為0.135%、0.32%的Al2O3納米流體和PG-H2O（體積比3∶1）作為實驗對照液體.

模擬CPU的加熱功率通過調(diào)壓器調(diào)節(jié)，測試段共設(shè)置了11個T型熱電偶，分別布置在加熱主板和邊緣、水冷頭的正面、側(cè)面及進出口處.

2.2實驗

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic diagram of test system

2.2.1 PG-H2O冷卻液圖2給出了PG-H2O（體積比3∶1）作為冷卻液，在熱流密度為1.94×103J/（m2·s）、31.04×103J/（m2·s）下，模擬CPU平均溫度的變化狀況.從圖1中可以看出，模擬CPU的平均溫度穩(wěn)定在37℃～40℃，溫度隨著熱流密度的升高而升高.熱流密度為31.04×103J/（m2·s）時的溫降幅度遠高于前者，在31.04×103J/（m2·s）熱流密度下，溫降幅度為43℃；而在1.94×103J/（m2·s）熱流密度下，溫降幅度為20℃.

圖2 PG-H2O冷卻液平均溫度變化曲線Fig.2Mean temperature curves of PG-water coolant liquid

2.2.2 Al2O3納米流體冷卻液采用Al2O3納米流體時，不同熱流密度下模擬CPU的平均溫度變化如圖3所示.當模擬CPU平均溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)時，隨著質(zhì)量分數(shù)的增加，Al2O3納米流體的換熱能力有所下降.以熱流密度為31.04×103J/（m2.s）時為例，質(zhì)量分數(shù)0.32%Al2O3納米流體溫度穩(wěn)定于40.4℃，比質(zhì)量分數(shù)0.135%的溫度高2℃左右.說明Al2O3納米流體質(zhì)量分數(shù)的增加會改變流體的傳熱性質(zhì)，導(dǎo)致了納米流體傳熱性能的下降.本文制備納米流體時采用的顆粒質(zhì)量分數(shù)，計算時再將其轉(zhuǎn)化為體積分數(shù)，其轉(zhuǎn)化公式［11］：

式（1）中，ε為納米流體的體積分數(shù)，ρf為納米流體的密度，ρd為基液密度，φm為納米流體的質(zhì)量分數(shù).

納米流體的粘度計算公式［12］：

由此可看出，隨著納米流體質(zhì)量分數(shù)的增加，粘度也隨之增加.

Pak［13］等也指出，納米流體的粘度會影響其強化傳熱效果.MadhusreeKole［14］等研究了Al2O3-汽車冷卻液納米流體的粘度與溫度和納米顆粒體積分數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明納米流體的粘度隨溫度的升高而減小，隨顆粒體積分數(shù)的增加而增大.

圖3 質(zhì)量分數(shù)為（a）0.135%和（b）0.32%的Al2O3納米流體冷卻液平均溫度變化曲線Fig.3Mean temperature curves of Al2O3nanofluids coolant liquid with mass fraction of（a）0.135%and（b）0.32%

2.2.3 MWCNTs納米流體冷卻液如圖4所示，MWCNTs納米流體作為冷卻液時具有極佳的散熱效果.使用質(zhì)量分數(shù)0.135%MWCNTs納米流體時，在熱流密度為31.04×103J/（m2·s）下，模擬CPU的平衡溫度為34.3℃，而對照組質(zhì)量分數(shù)0.135% Al2O3的溫度為38.6℃，PG-H2O（體積比3∶1）的溫度為40.2℃.在熱流密度為31.04×103J/（m2·s）下，質(zhì)量分數(shù)0.32%MWCNTs納米流體工作時，最高溫降可達48℃.而且，在所進行的實驗中，隨質(zhì)量濃度的增加，MWCNTs納米流體散熱效果越明顯.在相同熱流密度（17.46×103J/（m2·s））下，質(zhì)量分數(shù)為0.135%的MWCNTs納米流體的平均溫度穩(wěn)定在34.4℃，而質(zhì)量分數(shù)為0.32%的MWCNTs納米流體的溫度穩(wěn)定在32.3℃.

圖4 質(zhì)量分數(shù)為（a）0.135%和（b）0.32%的MWCNTs納米流體冷卻液平均溫度變化曲線Fig.4Mean temperature curves of MWCNTs nanofluids coolant liquid with mass fraction of（a）0.135%and（b）0.32%

3 結(jié)果與討論

對比圖3和圖4可知，與Al2O3納米流體相比，相同質(zhì)量分數(shù)MWCNTs納米流體作用下的模擬CPU平均溫降幅度更大，達到平衡溫度的時間更短.例如，質(zhì)量分數(shù)為0.135%時，在不同熱流密度作用下，Al2O3的溫度穩(wěn)定在35.6℃～38.6℃，MWCNTs的溫度穩(wěn)定在32.3℃～34.3℃.在同一熱流密度［31.04×103J/（m2·s）］下，MWCNTs的溫度穩(wěn)定為34.3℃，而Al2O3穩(wěn)定在38.6℃.由圖5可知，MWCNTs納米流體的換熱性能優(yōu)于Al2O3納米流體.

圖5 在相同熱流密度下5組冷卻液的平均溫度Fig.5Mean temperature of five groups of coolant liquid at same heat flux

熱阻能夠反映阻止熱量傳遞能力的大小，因此在評價換熱性能時常使用熱阻作為評判指標［15］.一般情況下，熱阻越小，物質(zhì)的傳熱能力越強.散熱器熱阻計算公式為

式（3）中，Tc為散熱器底面最高的溫度；Tm為進出口溫度平均值；為改為熱源產(chǎn)生的熱量；R為計算得出散熱器的總熱阻.

根據(jù)公式（3）計算出的結(jié)果如圖6所示.

當模擬CPU功率為32.47 W時，載入MWCNTs（質(zhì)量分數(shù)0.32%）納米流體的散熱器熱阻值為0.269℃/W，是測試液體中熱阻值最小的；與常用的Al2O3納米粒子相比，MWCNTs納米粒子的換熱能力更強.當功率為2.03 W時，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.32%）的熱阻值是2.908℃/W，Al2O3納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.32%）熱阻值是6.517℃/W.隨著質(zhì)量分數(shù)的增加，MWCNTs納米流體的換熱效果增強，在模擬CPU功率為8.17 W時，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.32%）的熱阻值是0.96℃/W，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.135%）熱阻值是1.454℃/W.質(zhì)量分數(shù)0.32%的MWCNTs納米流體的熱阻值在相同工況下均小于質(zhì)量分數(shù)0.135%.在相同功率（2.03 W、4.57 W、8.17 W）作用下，不同冷卻液工作時的散熱器熱阻值排序如下，該結(jié)果與實測溫度變化一致.

圖6 在不同功率下5組冷卻液的熱阻值Fig.6Thermal resistance of five groups of coolant liquid at different powers

而在功率18.26 W、32.47 W時，不同冷卻液工作時的散熱器熱阻值排序如下：

為了定量評估添加納米粒子對液體傳熱性能的影響，將MWCNTs納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.135%、0.32%）與Al2O3納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.135%、0.32%）的熱阻值（R1）與相同工況下的基液（PG-H2O）的熱阻值（R0）之比，定義為納米粒子影響因子E：

圖7給出了填充不同納米粒子的納米流體E隨功率值的變化規(guī)律.

從圖7可以看出，對于MWCNTs納米流體，E分別為0.602到0.828（質(zhì)量分數(shù)0.135%）和0.39到0.549（質(zhì)量分數(shù)0.32%），說明碳納米管粒子增強了基液（PG-H2O）的換熱性能，且在高質(zhì)量濃度時強化效果更明顯.對于Al2O3納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.135%），E在全部工況下全小于1，說明在低濃度時，Al2O3粒子強化了換熱性能；而質(zhì)量分數(shù)0.32%的Al2O3納米流體在功率為18.26 W、32.47 W時，E分別為1.078、1.077，兩者均大于1，說明粘度對換熱性能的惡化作用大于納米粒子對換熱性能的提高，質(zhì)量分數(shù)的提升增大了納米流體的粘度.

圖7 在不同功率下5組納米流體的影響因子Fig.7Impact factor of five groups of nanofluids at different powers

4 結(jié)語

使用MWCNTs納米流體進行液冷式CPU散熱器的換熱性能實驗.實驗結(jié)果表明，MWCNTs納米流體具有良好的換熱性能.在功率為32.47 W下，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.32%）溫度穩(wěn)定為32.2℃，而Al2O3納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.32%）穩(wěn)定在40.4℃.在液體中添加碳納米管粒子能提升液體的換熱能力.在相同功率（18.26 W）下，PG-H2O流體的熱阻值是0.859℃/W，MWCNTs納米流體（質(zhì)量分數(shù)0.32%）的熱阻值為0.457℃/W.在相同功率下，MWCNTs納米流體的E值全小于1.由此表明，隨著質(zhì)量分數(shù)的增加，MWCNTs納米流體的換熱效果有所增強.在相同功率的情況下，相同質(zhì)量分數(shù)的MWCNTs流體的熱阻值最小，換熱能力最強.

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本文編輯：陳小平

Improvement of Heat Transfer Properties of Liquid-Cooled Entral Processing Unit by Nanofluids Containing Multi-Walled Carbon Nanotubes

ZHENG Zhou1，3，YE Xiaojiang2*，HOU Zhijian3，ZHANG Yixue1，ZHENG Xingwen1，CHENG Fei1，3
1.School of Science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.School of Materials Science and Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；3.School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic，Shenzhen 518055，China

Aiming at the problem of poor heat dissipation in the liquid-cooled central processing unit(CPU) radiator，we designed the heat transfer performance experiment system in the liquid-cooled CPU radiator，by using propylene glycol-water based fluid，and nanofluids containing alumina and multi-walled carbon nanotubes（MWCNTs）to conduct heat transfer experiment，and we optimized the experimental conditions through the single variable method.When the heating power is 18.26 W，the thermal resistance of propylene glycol-water fluid，alumina nanofluids with mass fraction of 0.135%，and MWCNTs nanofluids with mass fraction of 0.135% and 0.32%were 0.859℃/W，0.751℃/W，0.739℃/W and 0.457℃/W，respectively.The results show that the heat transfer capability of the based fluid improves by adding nanoparticles，and the heat transfer effect of MWCNTs nanofluids enhances with the mass fraction increasing.

MWCNTsnanofluids；liquid-cooled CPU；heat transfer performance；thermal resistance

TB383

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.06.015

1674-2869（2016）06-0594-05

2016-08-29

武漢工程大學(xué)第七屆研究生教育創(chuàng)新基金（CX2015091）

鄭周，碩士研究生.E-mail：1689806431@qq.com

*通訊作者：葉曉江，博士，教授.E-mail：xiaojiangye@foxmail.com