某液冷冷板换热特性实验研究

贲少愚，魏 涛，黄晓刚

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某液冷冷板换热特性实验研究

贲少愚，魏 涛，黄晓刚

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

针对电子设备冷却用液冷冷板设计，选用了3种新型的锯齿型翅片作为冷板内芯。为了验证新型冷板的换热特性，应用稳态电加热法，分别对内芯为矩形、梯形和侧向梯形锯齿型翅片的3种冷板以蒸馏水为介质的换热特性进行了实验研究，分别获得了在一定雷诺数范围内的换热无量纲准则式，并对液冷冷板的换热特性进行了比较。结果表明，在小流量区域，3种冷板换热系数差别不大；随着流量增大，侧向梯形锯齿型翅片对冷板通道内的扰动更强，换热性能更好。本实验为液冷冷板设计提供了参考。

电子设备；冷却；液冷冷板；换热；实验

引 言

随着芯片热流密度和集成度的不断提高，传统的空气冷却技术已经不能满足电子设备冷却要求，液冷技术以其高效、紧凑、噪声小等特点而得到了广泛的运用[1]。液冷技术可分为直接液体冷却和间接液体冷却。间接液冷主要通过冷板形式实现，热量通过热传导的方式传递给冷板，再由液体通过对流换热将热量带走。

针对冷板的换热特性研究，文献[2]对冷板进行了理论与实验研究，提出了等效厚度概念。文献[3]中分别对冷板在热流均匀分布、热流局部分布、不同空气流量的情况下进行了实验研究。文献[4]对不同结构尺寸的微矩形槽道冷板对流换热进行了实验研究，并整理了层流和湍流的换热经验公式。文献[5]对不同结构的微通道冷板进行了换热特性实验研究，并进行了优化设计。

本文设计的液冷冷板，选用了3种新型的锯齿型翅片作为冷板内芯，通过实验方法测试了平均换热系数，并拟合了经验公式，验证了该冷板结构具有较好的换热性能。

1 实验原理及方法

1.1 冷板基本结构

本文实验所用的液冷冷板基本结构由上下基板、翅片、法兰组成，冷板翅片外形如图1所示。冷板内芯为单层铝翅片型材，翅片有3种形式，分别为矩形锯齿型、梯形锯齿型和侧向梯形锯齿型，具体尺寸分别见图2～图4所示。

图1 液冷冷板翅片外形图

图2 矩形锯齿型翅片截面图

图3 梯形锯齿型翅片截面图

图4 侧向梯形锯齿型翅片截面图

1.2 实验装置与原理

本实验目的是为了测量3种不同结构液冷冷板的换热特性，通过实验拟合曲线比较3种冷板的换热系数，为电子设备强迫液体冷却系统中所用的冷板或空气-液体换热器液侧翅片结构选型提供设计依据。

液冷冷板换热实验原理如图5所示，主要由供液系统、实验件、测量系统组成，包括：液冷源、流量计、连接封头、实验段(冷板、加热件、胶木板、热电偶等)、调压器、功率表、加热电源、计算机测控系统等。其工作原理是：液体在液冷源中由泵增压后经过控制阀、水箱、过滤器进入实验管路，其中一部分液体经旁通阀、连接封头后进入冷板，与冷板进行热交换，再经过连接封头、流量计后返回液冷源中换热器，往复循环。

图5 冷板换热实验原理图

1.3 实验测量方法

为了研究液冷冷板的换热特性，采用稳态电加热法[6]进行实验，实验中需要对加热量、流量、进出口水温和冷板表面温度等稳定参数进行测量。

1.3.1 加热量测量

如图6所示，冷板上下表面的加热元件为贴有电阻的紫铜板。在电流不大的前提下为了保证加热功率，实验中把电阻用导热绝缘胶均布在紫铜板表面，并采用串联的办法增加电阻。

图6 冷板加热示意图

发热元件的加热量由调压器控制，并由功率表测量加热量。加热量的大小主要根据冷板发热面的温度来决定，为了提高所测量的换热系数的精度，一般要求冷板表面平均温度与冷却水进口温差在8 ℃以上。实验时，通过观察冷板表面平均温度与冷却水进口温差确定加热量，并维持稳定，其大小由功率表测得。在考察换热实验是否达到平衡时，把冷却水进、出口的温差与流量和热容相乘得到冷却水的吸热量，比较加热量和吸热量是否一致，以此决定实验是否达到稳态。

1.3.2 流量测量

本实验中冷却水流量由涡轮转子流量计测量。所使用流量计的测量精度为±1%，量程为0～600 kg/h。系统所需流量由流量计前阀门控制，通过观察流量计显示值调节阀门开度，直到获得系统所需要的流量。

1.3.3 温度测量

为了获得冷板的换热系数，需要测量冷板进、出口冷却水的温度和冷板发热表面的温度。本文实验中采用精度为4‰的铜-康铜热电偶来测量温度，其具体安装位置和安装方式为：1)在进口和出口连接封头内安置热电偶测量冷却水进、出口温度。2)冷板发热面上热电偶的安装是在冷板表面用直径1 mm钻头打出小盲孔，在紫铜板和胶木板的相应位置钻出略大通孔，然后将焊好的热电偶穿过胶木板和紫铜板埋入冷板的盲孔中，并用导热胶进行固定；其安装位置为：在冷板上下发热表面共布置18个热电偶，上表面14个，下表面4个，上表面在对称中心线上非等距布置8个，对称中心线左右各3个共6个，下表面在对称中心线上非等距布置4个，用来与上表面相应位置作对比。为了保证测量的冷却水出口温度为混合平均温度，实验中专门加工了出口连接封头，并对其进行了保温处理。实验中各热电偶所测温度由计算机测控系统直接显示并记录。

2 实验结果与分析

本实验对3种锯齿型通道的液冷冷板(介质为蒸馏水)换热特性进行了实验研究，获得了在一定雷诺数范围内的换热无量纲准则式，并对3种通道表面的换热特性进行了比较。

2.1 实验数据处理

液冷冷板的平均换热系数计算式为：

(1)

由于Q水的大小直接影响到实验数据的可靠性，在实验中监测了电加热量Q电与水吸热量的大小，只有当(Q电-Q水)/Q电×100%≤5%时，才可认为实验达到了热平衡，这时所测实验数据方为有效数据。

同样，把液冷冷板的换热特性整理成努谢尔特数和流动雷诺数之间的关系。努谢尔特数的定义式为：

(2)

式中：l为翅片当量直径，m；λ为冷却导热系数，W/(m·℃)。

2.2 实验结果分析

在液冷冷板换热特性的研究中，主要测量了矩形锯齿型、梯形锯齿型、侧向梯形锯齿型3种通道冷板表面的温度分布。根据上面介绍的数据处理方法，通过计算获得了3种通道冷板的努谢尔特数与雷诺数的关系图，如图7～图9所示，以及3种通道冷板换热系数比较，如图10所示。

图7 矩形锯齿型通道冷板换热性能

图8 梯形锯齿型通道冷板换热性能

图9 侧向梯形锯齿型通道冷板换热性能

图10 3种通道冷板换热系数比较

将图7～图9所示的矩形锯齿型、梯形锯齿型、侧向梯形锯齿型3种通道表面的换热性能曲线拟合成无量纲准则式：

矩形锯齿型：

Nu=0.221 84·Re0.487 70

(3)

梯形锯齿型：

Nu=0.103 32·Re0.598 80

(4)

侧向梯形锯齿型：

Nu=0.246 08·Re0.419 20

(5)

本文所研究的3种锯齿型冷板的翅片选自现有工程应用产品，其当量直径有差别，比较无量纲准则式难以说明三者之间的优劣。在实验结果比较时，对比了相同流量下换热系数的大小关系，这也是工程实际中最关心的问题，图10描述了3种翅片形式下冷板换热系数随流量的变化关系。从图中可以看出，3种冷板的换热系数均随冷却水流量增大而变大。在小流量区域(流量小于150 kg/h)，3种锯齿型翅片的换热系数相当；当流量大于150 kg/h时，侧向梯形锯齿型的换热性能则明显好于另两种翅片型式，而梯形锯齿型翅片与矩形锯齿型翅片相差不大。在本文的实验范围内，侧向梯形锯齿型表面换热系数最大，梯形锯齿型表面次之，矩形锯齿型表面最小。产生这种现象的原因是在小流量范围内，3种通道内的流动均处于层流状态，其换热系数相差不大。随着流量的增大，由于翅片对流动的扰动，流动向湍流过渡。从3种翅片的截面图可知侧向梯形锯齿型对通道内流动的扰动最强，因此其换热性能最好。

3 结束语

本文选用了3种新型锯齿型铝翅片作为液冷冷板内芯，并通过稳态法实验测定了3种冷板的换热特性，得出了以下结论：

1)3种锯齿型翅片的液冷冷板在给定雷诺数范围内具有良好的换热性能，整理得出相应的换热无量纲准则式，为液冷冷板和空液换热器的翅片选型提供了设计依据。

2)建议扩大雷诺数范围，优化翅片参数，并以其他液体为工质，进行液冷冷板换热特性的深入研究。

3)进行液冷冷板工程设计时，不仅要满足换热要求，还应结合阻力特性综合评估。

[1] 平丽浩, 钱吉裕, 徐德好. 电子装备热控新技术综述(下)[J]. 电子机械工程, 2008, 24(2): 1-9.

[2] 陈文虎. 电子设备冷却[D]. 南京: 南京航空航天大学, 1992.

[3] 曹业玲. 矩形通道空芯冷板换热特性研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2003.

[4] 辛明道, 张培杰, 杨军. 空气在微矩形槽道内的对流换热[J]. 工程热物理学报, 1995, 16(1): 86-90.

[5] 徐德好. 微通道液冷冷板设计与优化[J]. 电子机械工程, 2006, 22(2): 14-18, 40.

[6] 曹玉璋, 邱续光. 实验传热学[M]. 北京: 国防工业出版社, 1998.

贲少愚(1972-)，男，高级工程师，主要从事电子设备结构设计工作。

Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of a Liquid-cooling Cold Plate

BEN Shao-yu，WEI Tao，HUANG Xiao-gang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to design a liquid-cooling cold plate in electronic devices cooling system, three new kinds of serrated-fin are adopted as the channel of cold plate. To validate the heat transfer characteristics of the new cold plate, the steady electric-heating experimental method is applied to three kinds of serrated-fin cold plates whose cross sections are rectangle, trapezium and side-trapezium respectively to study the heat transfer characteristics of the cold plate with distilled water as cooling medium. Three heat transfer dimensionless equations in the range of certain Reynolds number are presented and the heat transfer characteristics of three different cold plates are compared. Results show that the difference of the three heat transfer coefficients is less at low flow flux. As the flow flux increases, the disturbance is stronger in side-trapezium serrated-fin cold plate, so the heat transfer performance is better. The experiment provides a reference for the design of liquid-cooling cold plate.

electronic device; cooling; liquid-cooling cold plate; heat transfer; experiment

2015-01-22

TK124

A

1008-5300(2015)02-0007-04