流道内填充不锈钢珠液冷散热器的传热性能

唐亚男， 高学农， 颜家桃

(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室， 广东 广州 510640)

0 引言

风冷散热和液冷散热是目前CPU散热的主要方式.其中，液冷散热技术更是以其良好的散热性能成为各种台式计算机及大型工作站散热的最主要方法[1].目前，关于液体冷却方法的研究主要集中于冷却液的替换及外加风扇的改进.如Roy和Avanic通过在冷板吸热端安装旋转式叶轮强化传热，使冷板内的总热阻比传统液冷冷板降低了50%以上[2].

利用多孔介质强化冷却，成为近几十年来研究比较广泛的一种强化换热方式[3-6].多孔介质具有极强的“弥散作用”和“肋化作用”，能够促使流经其中的流体进行强烈的横向掺混，因而能够起到显著的传热强化作用.目前，研究者主要以板式换热器间堆积流体颗粒床和烧结多孔结构为研究对象.Jiang[7-9]等人对流体在烧结多孔槽道内的对流传热性能进行了研究，相比非烧结多孔结构，烧结多孔结构颗粒间的接触热阻大大减少或消失，这使得烧结多孔结构的导热能力大大增强.王补宣[10-12]等人对平行平板中填充不同直径的玻璃圆珠颗粒进行实验研究，结果表明，平行平板间填充小颗粒可以使传热得到显著的强化，但在大雷诺数下，一定的板间距相对应着多孔介质的最佳填充层数.

本文通过实验的方法，在蛇形流道散热器中填充不同直径的不锈钢珠，对不同发热功率、不同冷却液流量下散热器的换热及流动阻力性能进行了实验研究，分析了在孔隙率不变的条件下，不锈钢珠直径对散热器换热及流阻性能的影响规律.

1 实验系统

本文实验系统主要由发热板、散热器、压力表、流量计、数据采集仪等组成，实验流程如图1所示.

实验通过改变高精度电源的输出电压来调节发热板的发热功率，可模拟计算机CPU的各种运行工况，发热板的发热功率可由高精度电源功率表直接读出.水箱内的冷却液为去离子水，经水泵输送至填充有不锈钢珠的蛇形流道散热器中，在散热器流道内与壁面换热后带走发热板产生的热量，之后去离子水通过风扇强制降温后，再回到水箱中，如此往复循环，以保证整个实验系统的正常运行.实验中，冷却液的流量通过带有阀门的微型玻璃转子流量计来调节和测量，散热器冷却液的进出口压力由精密膜盒压力表进行测量.散热器的壁面、进出口均布有2～3根K型热电偶，通过连接Agilent34970A型数据采集系统对实验过程中的壁面及进出口温度进行实时检测，并利用计算机记录和处理相关数据.

图1 实验流程图1.水箱，2.水泵，3.玻璃转子流量计，4.发热板，5.蛇形流道散热器，6、7.压力表，8、9、10.热电偶，11.风扇，12.数据采集仪，13.计算机

2 实验数据及分析

文献[6]研究表明，对于大颗粒多孔介质的雷诺数参照以下公式：

，M=ρu(1)

根据对流换热系数的定义，有

(2)

散热器通道内的流动阻力系数可由式(3)计算：

(3)

式中：Re——雷诺数；dp——颗粒直径，m；ρ——流体密度，kg/m3；μ——流体动力粘度，Pa·s；u——散热器通道内流体平均流速，m/s；εm——孔隙率；h——表面对流传热系数，W/(m2·K)；Q——换热量，W；A——发热芯片的面积，m2；TW——散热器表面的平均温度，℃；Tf——散热器通道内流体的平均温度，℃；fe——流动阻力系数；de——散热器通道截面当量直径，m；ΔP——压力降，Pa；L——流体流程，m.

2.1 传热性能分析

图2～图4分别示出了在发热功率为30 W、40 W、50 W时，散热器冷却液对流换热系数h与流量的关系.为比较分析不锈钢珠直径、冷却液流量与对流换热系数之间的关系，各工况条件下散热器蛇型通道内填充不锈钢珠的孔隙率均设定为0.75.

从图中看出，随着Re数的增加，冷却液对流换热系数略微增大.而通过对图2～图4进行比较也不难发现发热功率即热负荷对冷却液对流换热系数的影响不明显.但是，填充不同直径不锈钢珠后的散热器冷却液对流换热系数发生了明显的变化.比较实验结果，填充Φ3 mm不锈钢珠的散热器表现出了显著的优越性，冷却液对流换热系数h均高于填充Φ2 mm、Φ4 mm不锈钢珠的散热器，其原因在于，相同填充率下，随着颗粒直径的增大，换热面积不断减小，对流换热系数也随之减小.而随着颗粒直径的增加，增加了流体的湍流强度，减薄了热边界层的厚度，从而提高了对流换热系数.在两者作用下，填充Φ3 mm颗粒表现出了最好的散热效果.

填充不锈钢珠后，散热器通道的结构以及流体流动状态发生了明显的变化，冷却液在蛇型流道中流动时产生了剧烈的扰动，呈现出了湍流流动，因而其对流换热系数h也就明显高于未填充不锈钢珠的散热器.在实验范围内，各填充工况下的对流换热系数随Re增加而增大，但Re的变化对换热系数的影响较小.

图2 发热功率为30 W时散热器的h-Re曲线 图3 发热功率为40 W时散热器的h-Re曲线

2.2 阻力性能分析

在散热器蛇形通道内填充不锈钢珠后，散热器换热效果有了明显的提高，但其所带来的流动阻力也随之增大，如图5～图7所示.在实验范围和条件内，填充不同直径不锈钢珠后，散热器的阻力系数均大于未填充时，约为填充前的1.5～2倍.散热器填充Φ4 mm不锈钢珠后的阻力系数最小，随着不锈钢珠直径的减小，流体流过蛇型通道的阻力有所增加.不锈钢珠直径越小，阻力系数越大，其原因在于随着不锈钢珠直径的减小，流体与固体接触的面积增大，流体流程增加，流动阻力系数较大.

图4 发热功率为50 W时散热器的h-Re曲线 图5 发热功率为30 W时散热器的f-Re曲线

图6 发热功率为40 W时散热器的f-Re曲线 图7 发热功率为50 W时散热器的f-Re曲线

3 结论

(1)蛇形流道散热器填充不锈钢珠后，其散热效果明显优于未填充时，其对流换热系数约为未填充时的2.4～3.4倍.

(2)散热器对流换热系数随着冷却液流量的增加而增大，随发热功率的变化不明显，但在填充不同直径不锈钢珠后传热过程得到不同程度的增强.填充Φ3 mm不锈钢珠的传热强化效果最好，其次是Φ2 mm和Φ4 mm的不锈钢珠.

(3)填充不锈钢珠后，散热器蛇形流道的阻力系数较空通道时均有所增加，约为填充前流动阻力的3～4倍.冷却液在蛇型通道中的流动呈现出了不同的流程状态，热负荷一定时，流动阻力系数f随着Re的增加而减小.并且，填充不同直径的不锈钢珠后的流动阻力系数也不同.填充Φ2 mm不锈钢珠蛇型通道的流动阻力系数最大，填充Φ3 mm、Φ4 mm不锈钢珠的流动阻力系数相差不大.

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