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不同浓度乙二醇冷却液对散热性能影响的研究

随着电力电子技术的迅速发展,电力半导体器件的高密度、高集成、大功率和小型化的发展已是不可逆转的趋势,这些都使芯片的热流密度迅速上升,传统的风冷散热难以满足要求。液冷散热采用高比热容的冷却液,具有散热功率大、均匀性好、结构紧凑等优势,在大功率电力半导体器件散热中被广泛采用。冷却液主要采用乙二醇-水溶液,本文将主要介绍不同浓度的乙二醇水溶液的散热性能。


乙二醇水溶液简介


     水作为一种常见而优秀的载冷液,因其低廉的成本和出色的换热性能,在液冷散热中得到了广泛应用。虽然水的物理特性都很优秀,但其冰点为0℃使得其不具备在低温环境下工作。为解决这一问题,在水溶液中添加乙二醇可以降低溶液的冰点。乙二醇(ethylene glycol)又名“甘醇”、“1,2-亚乙基二醇”,简称EG。化学式为(CH2OH)2,是最简单的二元醇。随着乙二醇浓度增加,水溶液冰点不断降低,最低可达零下48℃,使得液冷散热器内的冷却液不易结冰。

在水中掺入了乙二醇,冷却液的物性参数产生了变化,尤其动力粘度的改变,对散热性能的影响较大。

图2 液冷散热器实物图


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液冷散热器散热性能分析


流体流过固体表面时,流体与固体间的热量交换称为对流传热,是液冷散热器主要的换热形式。对流换热由牛顿冷却公式计算。

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式中:

q—热功率,W;

h—对流换热系数,W/(m2·K);

S—散热面积,m2

∆t—温差,K。


流体的物性参数会影响冷媒在管内运动过程中的运动状态,继而影响换热效果。液冷散热器中的流动过程通常为无相变的强制对流传热,流体的密度ρ,动力粘度μ,导热系数λ和定压比热容cp都会影响流体的传热能力。 

h=f(ρ,μ,ν,ι,λ,cp)       (2)

式中:

ρ——密度,kg/m3

μ——动力粘度,Pa·s;

ν——速度,m/s;

ι——特征长度,m;

λ——导热系数,W/(m·K);

cp——定压比热容,J/(kg·K)。

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对流换热系数计算


为了计算管内冷媒流动时的对流换热系数h,下面引入努塞尔(Nusselt)数。努塞尔数用于衡量对流换热强烈程度。

            (3)      

    由努塞尔数可得对流换热系数求解:

                 (4)

                             

因此,只需要求得努塞尔数即可计算出管内的对流换热系数。在液冷散热器工作时,管内通常为强制对流传热形式,因此,选用Dittus-Boelter公式。

 (5)

        

式中:

Re——雷诺数;

Pr——普朗特数;

n——流体被加热时,n=0.4;流体被冷却时,n=0.3。

为了求解式5,需要求解引入的雷诺(Reynolds)数和普朗特(Prandtl)数。雷诺数反映流体流动情况;普朗特数反映流体物理性质对对流传热过程的影响。

              (6)


           (7)

                                                           

由式3、4、5、6可得总换热系数如下式  

     (8)


从式8可得以下结论:流速越大,换热系数越大;动力粘度越大,换热系数越小。


    冷却液以4m/s的速度流入直径为6mm流道的液冷散热中,分别计算表1中4种不同乙二醇浓度冷却液的对流换热系数。计算结果如表2所示。

表2不同浓度乙二醇和水的对流换热系数

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试验测试


在散热功率、流速、进口温度、液冷散热器都相同的情况下,通过改变冷却液中乙二醇的浓度,通过试验测试,可以得到不同的液冷散热器的最高温度和温升情况。

图3 不同乙二醇浓度冷却液的散热性能测试

3不同浓度乙二醇-水溶液散热性能测试

结论


随着乙二醇水溶液浓度的提升,动力粘度不断增加,冷却液的对流换热能力依次降低,散热器温升逐渐提高。因此在实际的使用中,比如南方地区等环境温度较高情况下,对冷却液的冰点要求较低时,可以采用乙二醇浓度较低的冷却液,有利于提升散热性能,降低散热器温升,同时减少昂贵乙二醇的使用,可以有效降低冷却液的成本。



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