典型微通道液冷冷板散热性能试验研究

刘新博

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

典型微通道液冷冷板散热性能试验研究

刘新博

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

论文通过搭建微通道液冷冷板测试环境，分别测试了七种典型微通道液冷冷板的进、出口压差、流量和温度。以D5冷板为参考，分别对比常规通道，不同槽道高度、槽道筋厚及流道形式对微通道液冷冷板散热性能的影响。结合工程应用比较了不同微通道冷板的综合性能，为微通道冷板设计提供参考。

微通道；液冷；散热

Class NumberTN402

1 引言

随着电子元器件集成化程度越来越高，体积不断缩小，热流密度急剧上升［1］。解决大功率、高热密度下电子设备的散热问题是结构设计中的关键环节［2］。应用微通道液冷冷板散热是一种比较理想的方式［3］。本文通过搭建微通道液冷冷板测试环境，以测试数据为依据对比了七种典型微通道液冷冷板的换热性能，结合工程应用比较了不同微通道冷板的综合性能。

2 微通道液冷冷板性能测试指标

微通道冷板通常以换热系数和进出口压差作为衡量冷板性能的主要指标［4］。搭建测试系统应准确测试与这两个指标相关的参数值。

换热系数h1的工程意义是整体上衡量冷板对热源的散热能力指标。换热系数越大表明微通道冷板的散热性能越优越。h1的定义公式为

式中Asource为热源和冷板接触面积，Twc为热源表面温度，To为进出口冷却液平均温度，Q为总换热量。

进出口压差∆P可以衡量泵功耗。压损越大，消耗的泵功越大，对泵的要求也越高，并与经济成本相关。保证散热系统流量的前提下，进出口压差越小越好。∆P的定义公式为

式中Pin为进水口平均压力，Pout为出水口平均压力。

3 典型微通道液冷冷板

为了研究微通道液冷冷板的换热性能，从工程实际应用出发，设计了七种不同参数的冷板。冷板类型分别为常规冷板一种，不同槽道高度冷板三种，不同槽道筋厚冷板一种和不同流道形式冷板两种［5］。微通道冷板参数见表1，示意图如图1所示。

表1 微通道液冷冷板参数对照表

本文主要研究微通道不同槽道高度、槽道筋厚及流道形式对微通道液冷冷板性能的影响。以常规微通道冷板D5为参考，与其他冷板进行对比分析。为了保证各种冷板对比分析数据的准确性，设计冷板时，将冷板与热源的接触面积统一设置为10cm2。所有冷板的槽道宽度bc设置为0.5mm，入口段长度L1为10mm。各种冷板的外形尺寸一致，并保证冷板的实际有效散热面积相同。微通道冷板的加工方法为以常规机加工艺加工槽道，再通过真空钎焊形成密闭液冷通道［6］。冷板流道结构如图2所示。

4 微通道液冷冷板性能测试环境搭建

1）测试环境组成

根据微通道液冷冷板性能测试指标中的相关参数，测试系统应设计成一个液压回路。在液压回路中可以实现流量控制，压力测量以及相应的温度测量［7］。测试系统的主要功能单元可划分为液冷循环单元、数据采集单元和模拟设备单元三部分。微通道液冷冷板性能测试环境原理图如图3所示。

（1）液冷循环单元

液冷循环单元是由微流量水泵、节流阀、管线、快插接头及储水槽等组成的一个开式液压回路。液冷循环单元为系统提供流量可调的冷却液，通过调节节流阀开口大小实现系统流量的调节［8］。

（2）数据采集单元

数据采集单元主要采集系统流量、压力和温度三种数据。流量值通过串联在液冷循环单元中的流量计读取；压力值分为进口压力和出口压力，通过安装在模拟箱体两端的压力传感器采集，从压力数值显示器上读取；温度数值通过温度测试仪器采集，从温度测试仪器的电脑显示屏上读取。

（3）模拟设备单元

模拟设备单元是微通道冷板性能测试环境的核心部分。模拟设备单元包括模拟箱体、模拟热源和微通道冷板［9］。

模拟箱体和微通道冷板接入液冷循环单元，冷却液流经微通道冷板，带走由模拟热源传导至微通道冷板的热量，从而实现对模拟热源的冷却。模拟设备单元如图4所示。

2）测试环境工作原理

微流量水泵驱动冷却液在微通道冷板中以强迫对流的方式带走热量，实现对流换热。从微流量水泵流出的冷却液流经与模拟热源接触的微通道冷板，吸收模拟热源产生的热量，冷却液的温度上升，从出口流出，形成一个开环式的冷却换热测试系统。通过数据采集单元采集相应流量、压力和温度数据。

根据微通道液冷冷板性能测试环境原理图搭建微通道液冷冷板性能测试环境如图5所示。测试环境冷却液为水。

5 微通道液冷冷板性能测试方法

微通道冷板测试环境主要测试通过微通道冷板的冷却液流量、微通道冷板两端的压力、微通道冷板两端冷却液的温度和模拟热源的温度。

将微通道冷板接入测试环境，设定模拟热源热流密度为30W/cm2，然后调节系统流量从10L/ h-50L/h变化，记录对应流量时的相应进、出口压力、温度和模拟热源温度。

流经微通道冷板的冷却液流量通过串联在液冷循环单元中的流量计读取。微通道冷板两端的压力通过安装在模拟箱体进水口和出水口上的压力传感器采集，从压力传感器的数值显示器上读取。当系统流量变化后记录相应的进水口和出水口压力值。温度测试分为进、出水口温度和模拟热源温度。进、出水口温度由安装在模拟箱体进、出水口处的热电偶采集，模拟热源的温度由安装在模拟热源上的四只热电偶采集。热电偶采集的数据通过仪器在电脑上显示。

6 数据分析

根据测试环境实测数据将微通道冷板分为四组对比分析换热性能。四组对比中以D5冷板为参考，分别对比常规通道，不同道槽道高度、槽道筋厚及流道形式对微通道液冷冷板性能的影响。

1）微通道冷板与常规冷板换热性能对比

常规通道冷板C5与微通道冷板D5的区别在于D5的散热通道中增加了筋厚1mm，宽度0.5mm，高度5mm的散热槽道［10］。冷板D5与冷板C5测试数据对比如图6所示。微通道冷板D5和常规冷板C5进、出口压差接近。增加散热槽道使冷却液与冷板的换热面积增大，从而提高了冷板D5的换热性能。微通道冷板D5的换热性能要比常规冷板C5优越。

2）微通道槽道高度对换热性能的影响

将微通道冷板D5的槽道高度加工为3.5mm和2mm即为微通道冷板D3.5和D2。冷板D5与冷板D3.5、D2测试数据对比如图7所示。槽道高度对微通道冷板的换热系数影响较大。槽道高度减小，微通道冷板的换热性能降低。槽道高度增大有利于提高微通道冷板的换热性能，但结合工程实际，微通道冷板的槽道加工方法为机加方式，槽道高度越大，加工难度越大。综合工程实际和测试结果，微通道冷板D3.5的综合型能比较优越。

3）微通道槽道筋厚对换热性能的影响

微通道冷板E0.5是在冷板D5的基础上增加槽道，减小槽道筋厚加工而成。冷板E0.5的槽道筋厚0.5mm，槽道宽度0.5mm，槽道高度5mm。冷板D5与冷板E0.5测试数据对比如图8所示。根据理论分析，在热源接触面积不变的情况下，槽道越多换热性能越好。从实际测试来看，增加槽道数量的冷板E0.5的换热性能与D5相比并没有明显提升。结合冷板的加工工艺，冷板E0.5的肋条由于厚度过小，加工过成中变形较严重，焊接时漏焊，使槽道之间导通。槽道导通导致液冷源横截面积增大，流速降低，从而降低了流固换热效率。综合分析，应用机加方式加工的冷板E0.5在实际应用中效果较差。如能通过其他加工工艺则可提高冷板的换热性能。

4）微通道流道形式对换热性能的影响

将微通道冷板D5的通道形式改成Y型和U型即为微通道冷板YW1和UW1。冷板D5与冷板YW1、UW1测试数据对比如图9所示。复杂流道形式可以提高微通道冷板的换热性能。Y型、U型通道与直型通道的不同在于前者进、出水口处于冷板的同侧。工程应用中，条件允许的情况下可优先选用Y型或U型通道形式的冷板。

7 总结

从以上测试数据对比分析，结合工程应用可以得出以下结论。

1）微通道液冷冷板的换热性能优于常规通道液冷冷板；

2）复杂流道的微通道冷板换热性能较好，如微通道冷板YW1和UW1，设计微通道液冷冷板时可优先考虑；

3）以机加结合焊接的生产方式加工冷板，考虑成本及加工难易程度，槽道深度3.5mm，槽道宽度0.5mm，槽道筋厚1mm较为经济；

4）冷却液流量达到一定值后，模拟热源温度下降速率趋于平缓。继续增大流量时，模拟热源温度降低效果不明显，而进、出口压差会增大，使泵功耗增大，影响冷板经济性。

8 结语

本文通过搭建微通道液冷冷板测试环境，分别测试了七种典型微通道液冷冷板的进、出口压差、流量和温度。以D5冷板为参考，对比常规通道，不同槽道高度、槽道筋厚及流道形式对微通道液冷冷板性能的影响。并结合工程应用比较了不同微通道冷板的综合性能，为微通道冷板设计提供定性和定量参考。

［1］赵惇殳.电子设备结构设计原理［M］.南京：江苏科学技术出版社，1986.

［2］电子设备可靠性热设计手册［M］.北京：电子工业出版社，1989.

［3］赵惇殳.电子设备热设计［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［4］刘欢密集型窄缝矩形通道液冷冷板性能分析与结构优化［D］.西安：西安电子科技大学，2011.

［5］高小超串联式网络矩形微通道对流换热实验研究［D］.西安：西安电子科技大学，2013.

［6］李春林.矩形槽道微通道冷板制造工艺技术［J］.电子机械工程，2009，25（4）：38-40.

［7］蒋洁，郝英立，施明恒.矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究［J］.热科学与技术，2006，5（3）：189-194.

［8］刘焕玲.典型等截面直微通道对流换热特性研究［D］.西安：西安电子科技大学，2010.

［9］刘焕玲.微通道换热研究［D］.西安：西安电子科技大学，2004.

［10］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.

Experimental Study on Heat Transfer Performance of Typical Microchannel Cooling Plate

LIU Xinbo
（20th Institude，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

In this paper，the inlet and outlet pressure difference，flow rate and temperature of 7 kinds of typical micro channel liquid cold plate are tested by establishing a micro channel liquid cold plate test environment.The effects of the conventional channel，the channel height，the thickness of the channel and the channel form on the cooling performance of the micro channel cold plate were compared with the D5 cold plate.Combined with the engineering application，the comprehensive performance of different microchannel cold plate is compared，which provides reference for the design of microchannel cold plate.

microchannel，liquid cooling，dissipate heat

TN402

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.039

2017年1月8日，

2017年2月26日

“十三五”XX共用信息系统装备预先研究（编号：31508XXXX）资助。作者简介：刘新博，男，硕士研究生，工程师，研究方向：电子设备结构设计。