电子设备液冷散热的冷却液热学性能分析

董进喜，杨明明，赵 亮

(中航工业西安航空计算技术研究所第4研究室，陕西西安 710119)

随着电子设备性能、功耗的不断提高。为保证电子设备的长时间稳定工作，就需要更好的散热设备解决系统内部的温升问题。当电子设备的功耗达到一定程度时，传统的风冷方式已经无法更好地解决大功耗电子设备内元器件的温升。因此，需要采用液冷方式的散热器解决电子设备高能耗的问题。液体介质比空气具有更好的导热性能，采用冷却液作为工作介质的散热器，比传统的风冷方式具有更优异的散热性能［1－2］。

冷却液作为液冷散热器的工作介质，其热学性能参数将直接影响电子设备液冷散热器的结构设计和散热效率［3］。因此，在许多不同样式的液冷散热器涌现的同时，冷却液的合理选择是电子设备散热器设计的关键内容之一。

现在使用较广的冷却液主要为乙二醇型冷却液，经过长时间的使用和改进，乙二醇类冷却液在防冻和缓蚀方面都取得了良好的解决方案，因此，乙二醇类冷却液被广泛应用于汽车、航空、电子等领域。20世纪80年代，美国合成了一种新型的冷却液——合成烃基类冷却液(Poly－Alpha－Olefin fluids，PAO)，该冷却液由于其良好的稳定性、安全性和较好的导热性，被广泛应用多种电子设备的散热装置中。

电子设备的散热装置对冷却液的选择使用要求，主要从安全性、流体特性和热学性能3方面去考虑。对于冷却液的安全性方面主要是针对冷却液的腐蚀性、导电性和使用环境的考虑;对于冷却液的流体特性主要是针对冷却液的黏度、比重等方面;对于冷却液的热学性能，将直接影响到电子设备散热效果，文中主要通过对乙二醇类(如65#)冷却液和PAO这两种冷却液的热学性能进行理论和实验性能比较分析，选择在热学性能方面较优的冷却液。

1 热学性能研究

1.1 冷却液热物理参数

PAO与65#冷却液的热物理参数会随温度变化而变化，并根据具体数值拟合了冷却液的参数性能变化曲线，对两种冷却液随温度的变化趋势进行了分析［4］。

如表1所示。并根据具体数值拟合了冷却液的参数性能变化曲线，对两种冷却液随温度的变化趋势进行分析。

表1 PAO与65#冷却液的物理参数

图4 PAO和65#冷却液动力黏度随温度变化曲线

通过PAO与65#冷却液的热物理性能参数对比可知:(1)PAO的各项物理参数随温度的变化波动都比65#冷却液小，即PAO的物理特性较65#冷却液更为稳定，并且合成烃基类冷却液PAO具有不导电性。(2)65#冷却液的比热容较PAO高20%以上，且65#冷却液的比热容会随温度升高而上升。由此可知，相同功耗下65#冷却液的温升会较PAO低。(3)在动力黏度方面，65#冷却液和PAO都随温度升高而下降，在0℃以上两者动力黏度近乎相同，但由于65#冷却液的密度较PAO大，65#冷却液的运动黏度较PAO小。

1.2 冷却液的热传导系数

在热性能方面，可利用冷却液热传导参数关联式对冷却液进行评价分析。对于冷却液强迫对流中的热传导问题，可以采用以下热传导参数关联式

其中，Nu=hD/k;Re= ρVD/μ;Pr=μCp/k;C 待定系数。层流时，m=0.5，n≈0.4;紊流时，m=0.8，n≈0.4，则冷却液的热传导系数为

由式(2)可知，在相同的冷却系统中，不同冷却液的热传导性能比较，可以通过冷却液热传导性能相关参数密度ρ、热导率k、恒压比热容Cp和动力黏度μ来衡量。

根据冷却液的热传导系数计算公式，定义热传导参数(HTP)作为流体热传导性能参数的评定标准

其中，a=m;b=1－n;c=n;d=m－n。则有，层流时HTPL=ρ0.5k0.6C0.4P/μ0.1;紊流时 HTPT=ρ0.8k0.6C0.4P/μ0.4。

由图5可知，65#冷却液的热传导参数(HTP)在层流和紊流下较PAO大45%以上，特别是在60℃以上，是PAO热传导参数的两倍以上。随着温度的升高，65#冷却液的热传导优势更加明显。

1.3 冷却液的温升比较

图5 PAO和65#冷却液不同流态下的热传导性能比较

对电子设备的散热分析工作中，当系统处于热平衡时，冷却液的温升表明该冷却液的吸热能力，也在一定程度上反映了电子设备的表面温度。冷却液的出口温度可由冷却液进口温度与其在管路中所有温升之和来确定。两个相同的电子设备系统里，使用不同的冷却液来进行散热，可以只考虑电子元器件的功耗和表面温度对冷却液的影响，忽略液固交界面和固体内部的温度损耗。电子元器件通过以下两种方式来影响冷却液的温度:

(1)电子元件产生热量传导引起冷却液温升

(2)电子元件通过冷却液对流换热形式来引起温升

相同能耗和流量时，两种冷却液的综合温升比值计算公式为

对于非常小流量时，式(7)可近似为

对于非常大流量时，式(8)近似为

由图6可知，层流状态下，在一定功耗热量的环境里，PAO的温升约为65#冷却液的1.8倍。而紊流状态下，PAO的温升与65#冷却液的温升比值不断升高，特别在60℃以上，PAO的温升是65#冷却液的2.6倍以上。

图6 PAO和65#冷却液的综合温升比较

2 电子设备的散热比较

在从热力学理论方面对两种冷却液进行了比较分析的基础上，将两种冷却液分别作为同一电子设备系统的液冷散热工作介质，实验通过测定电子设备系统内各芯片的稳定温度来进行两种冷却液的散热工作性能比较，具体的测试系统原理如图7所示，待冷却电子设备的功耗为100 W，冷却液流量大小为7.02 g/s，经过待冷却电子设备后将热量带走，平衡电子设备内各芯片的温度。制冷器主要是保证冷却液回到油箱时的温度为25℃，这样循环工作中，每次冷却液进入电子设备的温度都恒定。通过温度传感器测量电子设备系统内各芯片的温度值，由数据采集器采集各路温度数据，当各芯片的温度值曲线趋向水平时，可认为系统内芯片温度达到平衡稳定。进而通过比较各芯片的稳定温度来对比分析冷却液的散热性能。

通过上述实验方法测得，分别以PAO和65#冷却液作为散热装置内的工作介质时，待冷却电子设备的平衡温度值如表2所示。

表2 待冷却电子设备内各芯片的温度

通过比较待冷却内各芯片的温度值可知，在该实验系统的散热装置中采用65#冷却液作为散热工作介质比采用PAO的散热效果更好，能使待冷却设备内的芯片温度降低10℃。实验结果也体现出冷却液的选择直接影响到电子设备散热装置的散热性能。

3 结束语

通过对冷却液在不同温度下的热物理参数比较分析，得到冷却液热物理参数随温度的变化趋势，可以看出PAO的物理性能参数比65#冷却液稳定，并且合成烃基类冷却液具有不导电的优势。在冷却性能满足电子设备工作需求的条件下，这一类冷却液更安全。通过对不同流态下的热传导系数和相同功耗下的冷却液温升这两方面的理论分析，可以看出，由于65#冷却液在比热容和热导率方面较PAO更具优势，使得它在不同流态下都比PAO具有更好的热传导系数和较低的温升。通过比较分析在电子设备系统使用不同冷却液后各芯片的平衡温度，使用65#冷却液作为工作介质芯片温度更低。

综上分析，65#冷却液比PAO具有更好的散热性能，但PAO由于其物理参数稳定和不导电性，在电子设备的散热工作中具有更好的安全性。

［1］GHAJAR A J.Comparison of hydraulic and thermal performance of PAO and coolanol 25R liquid coolants［J］.Colorado Springs，1994(6):897 －905.

［2］周建军，李庆年，冷观俊，等.汽车冷却液［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［3］陈登科.电子器件冷却技术［J］.低温物理学报，2005，27(3):255－261.

［4］汪楠，陈桂珍.工程流体力学［M］.北京:石油工业出版社，2007.