引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力半導(dǎo)體器件的高密度、高集成、大功率和小型化的發(fā)展已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，這些都使芯片的熱流密度迅速上升，傳統(tǒng)的風(fēng)冷散熱難以滿足要求。液冷散熱采用高比熱容的冷卻液，具有散熱功率大、均勻性好、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，在大功率電力半導(dǎo)體器件散熱中被廣泛采用。冷卻液主要采用乙二醇-水溶液，本文將主要介紹不同濃度的乙二醇水溶液的散熱性能。

乙二醇水溶液簡(jiǎn)介

水作為一種常見(jiàn)而優(yōu)秀的載冷液，因其低廉的成本和出色的換熱性能，在液冷散熱中得到了廣泛應(yīng)用。雖然水的物理特性都很優(yōu)秀，但其冰點(diǎn)為0℃使得其不具備在低溫環(huán)境下工作。為解決這一問(wèn)題，在水溶液中添加乙二醇可以降低溶液的冰點(diǎn)。乙二醇（ethylene glycol）又名“甘醇”、“1,2-亞乙基二醇”，簡(jiǎn)稱EG?；瘜W(xué)式為(CH2OH)2，是最簡(jiǎn)單的二元醇。隨著乙二醇濃度增加，水溶液冰點(diǎn)不斷降低，最低可達(dá)零下48℃，使得液冷散熱器內(nèi)的冷卻液不易結(jié)冰。

圖1 液冷散熱器流道示意圖

表1 不同濃度乙二醇和水的物性參數(shù)表

在水中摻入了乙二醇，冷卻液的物性參數(shù)產(chǎn)生了變化，尤其動(dòng)力粘度的改變，對(duì)散熱性能的影響較大。

圖2 液冷散熱器實(shí)物圖

1.液冷散熱器散熱性能分析

流體流過(guò)固體表面時(shí)，流體與固體間的熱量交換稱為對(duì)流傳熱，是液冷散熱器主要的換熱形式。對(duì)流換熱由牛頓冷卻公式計(jì)算。

（1）

式中：

q—熱功率，W；

h—對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

S—散熱面積，m2；

?t—溫差，K。

流體的物性參數(shù)會(huì)影響冷媒在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，繼而影響換熱效果。液冷散熱器中的流動(dòng)過(guò)程通常為無(wú)相變的強(qiáng)制對(duì)流傳熱，流體的密度ρ，動(dòng)力粘度μ，導(dǎo)熱系數(shù)λ和定壓比熱容cp都會(huì)影響流體的傳熱能力。

h=f(ρ,μ,ν，ι,λ,cp)（2）

式中：

ρ——密度，kg/m3；

μ——?jiǎng)恿φ扯龋琍a·s；

ν——速度，m/s；

ι——特征長(zhǎng)度，m；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；

cp——定壓比熱容，J/（kg·K）。

2.對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算

為了計(jì)算管內(nèi)冷媒流動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)h，下面引入努塞爾（Nusselt）數(shù)。努塞爾數(shù)用于衡量對(duì)流換熱強(qiáng)烈程度。

（3）

由努塞爾數(shù)可得對(duì)流換熱系數(shù)求解：

（4）

因此，只需要求得努塞爾數(shù)即可計(jì)算出管內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)。在液冷散熱器工作時(shí)，管內(nèi)通常為強(qiáng)制對(duì)流傳熱形式，因此，選用Dittus-Boelter公式。

（5）

式中：

Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

n——流體被加熱時(shí)，n=0.4；流體被冷卻時(shí)，n=0.3。

為了求解式5，需要求解引入的雷諾（Reynolds）數(shù)和普朗特（Prandtl）數(shù)。雷諾數(shù)反映流體流動(dòng)情況；普朗特?cái)?shù)反映流體物理性質(zhì)對(duì)對(duì)流傳熱過(guò)程的影響。

（6）

（7）

由式3、4、5、6可得總換熱系數(shù)如下式

（8）

從式8可得以下結(jié)論：流速越大，換熱系數(shù)越大；動(dòng)力粘度越大，換熱系數(shù)越小。

冷卻液以4m/s的速度流入直徑為6mm流道的液冷散熱中，分別計(jì)算表1中4種不同乙二醇濃度冷卻液的對(duì)流換熱系數(shù)。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2不同濃度乙二醇和水的對(duì)流換熱系數(shù)

3.試驗(yàn)測(cè)試

在散熱功率、流速、進(jìn)口溫度、液冷散熱器都相同的情況下，通過(guò)改變冷卻液中乙二醇的濃度，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，可以得到不同的液冷散熱器的最高溫度和溫升情況。

圖3 不同乙二醇濃度冷卻液的散熱性能測(cè)試

表3不同濃度乙二醇水溶液物性

結(jié)論

隨著乙二醇水溶液濃度的提升，動(dòng)力粘度不斷增加，冷卻液的對(duì)流換熱能力依次降低，散熱器溫升逐漸提高。因此在實(shí)際的使用中，比如南方地區(qū)等環(huán)境溫度較高情況下，對(duì)冷卻液的冰點(diǎn)要求較低時(shí)，可以采用乙二醇濃度較低的冷卻液，有利于提升散熱性能，降低散熱器溫升，同時(shí)減少昂貴乙二醇的使用，可以有效降低冷卻液的成本。

本文標(biāo)題：不同濃度乙二醇冷卻液對(duì)散熱性能影響的研究

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